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Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsanodenteller für eine direkt gekühlte Drehkolbenröhre, der aus einem hochtemperaturbeständigen Material, wie z. B. Wolfram, Molybdän oder einer Kombination beider Materialien besteht.
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Aus der
DE 199 56 491 A1 ist ein Röntgenstrahler mit zwangsgekühlter Drehanode bekannt. Dort ist eine Zwangsführung eines flüssigen Kühlmittels vorgesehen, das den gesamten Kolben umgibt.
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Die Druckschriften
US 3 751 702 A ,
DE 28 33 751 C1 und
DE 31 07 924 A1 offenbaren jeweils Drehanodenröhren, nicht jedoch eine Drehkolbenröhre. Eine Drehanode steht nicht in fester Verbindung mit einem Vakuumgehäuse, diese Druckschriften werden daher nur als technologischer Hintergrund genannt.
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Bei Röntgenröhren treten im Anodenteller sehr hohe Temperaturen auf. Insbesondere für Röntgenröhren in RET-Technologie (Rotating Envelope Tube) kommen außerdem noch hohe Temperaturgradienten vor, da in dieser Technik sehr hohe Wärmeflüsse erreicht werden sollen. Die Temperaturgradienten führen zu mechanischen Spannungen, welche die Reißfestigkeit aller gängigen Anodenmaterialien übersteigen. Es kommt daher zu vakuumbrechenden Rissen durch den Anodenteller, welche unmittelbar zum Ausfall der Röhre führen können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungsanodenteller der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass trotz der unvermeidlich auftretenden Spannungsrisse ein Ausfall der Drehanode auch bei hohen Temperaturbelastungen vermieden werden kann und damit die Einsatzdauer einer Hochleistungs-Drehkolbenröhre, insbesondere in RET-Technologie, verlängert wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Mittel vorgesehen sind, die die Fortsetzung von durch temperaturbedingte Spannungen erzeugten Rissen in der Vakuumhülle verhindern.
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Um dies zu erreichen, kann gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der Anodenteller in einer ihn auch unterseitig umfassenden Vakuumhülle angeordnet ist und die Mittel Wärmebrücken umfassen, über die er an der Innenseite der Vakuumhülle anliegt.
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In diesem Fall liegt die Unterseite des Anodentellers nicht mehr unmittelbar im Kühlmittel, was in Verbindung mit der Verbindung des Anodentellers mit der ihn auch unterseitig umhüllenden Vakuumhülle der Drehkolbenröhre dazu führt, dass ein verschlechterter Wärmeübergang stattfindet. Die Risse in der Drehkolbenröhre können sich – da im Bereich der Brennfleckbahn der Anodenteller gerade nicht unterstützt sein soll und damit die dort entstehenden Risse sich nicht in die Vakuumhülle der Drehkolbenröhre fortsetzen können, zwar nicht zum Ausfall des Vakuums führen, aber eine nennenswerte Leistungserhöhung und Lebensdauererhöhung ist mit dieser Variante im Allgemeinen nicht möglich.
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Breite Entspannungsschlitze, die die Anode nur teilweise durchdringen, führen bei zeitauflösenden Untersuchungen (Computertomographie) zu Bildartefakten und es erfordert Aufwand zu vermeiden, dass am Schlitzgrund in den Tellern neue Risse entstehen (dass also die Schlitze in Form von Rissen tiefer werden). Schlitze (im Sinne von Unterbrechungen in der Oberfläche der Brennbahn) wirken sich dann negativ auf die Bildqualität bei zeitaufgelösten Röntgenuntersuchungen aus, wenn die Breite bS der Schlitze in der Größenordnung der Brennfleckbreite b3 liegt, also etwa Brennfleckbreite/10 < Schlitzebene b3/10 < bS (1) gilt, und der Schlitz sich während einer Integrationszeit nicht wesentlich weiter als eine Brennfleckbreite bewegt. 2·Π·rB·fD·ti < 10·b3 (2)
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Dabei bedeutet rB den Brennbahnradius, fD die Frequenz der Drehanode und ti die Integrationszeit.
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In diesem Fall verändert sich die während der Integrationszeit von der Röntgenröhre erzeugte Dosisleistung erheblich, wenn der Brennfleck auf einen Schlitz trifft. Für typische Werte (t = 250 μs, R = 100 mm, f = 100 Hz) heißt das, dass Schlitze, die breiter als etwa 150 μm sind, zu Bildartefakten führen. Brennbahnoberflächenunterbrechungen, die schmaler sind als durch Gleichung (1) und (2) definiert, können dagegen toleriert werden.
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Diese Bedingung an die Breite der Schlitze, damit diese nicht die Bildqualitätzeit aufgelöster Röntgenuntersuchungen nennenswert stören können, gilt nicht nur für die vorstehend beschriebene in der Praxis letztendlich nicht voll befriedigende Lösung, sondern insbesondere auch für eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Drehanode mit einer Mehrzahl sich radial erstreckender, in Umfangsrichtung beabstandeter Sollbruchstellen oder vorgefertigter Entspannungsschlitze versehen ist, die so ausgebildet sind, dass die Risse sich nicht bis zur Unterseite der Drehanode fortsetzen können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei weiter vorgesehen, dass die Mittel an den Sollbruchstellen eingebrachte, den Anodenteller teilweise durchsetzende Galerien umfassen, die unter Abstand ganz oder teilweise von einer dünnen Sollbruchdeckschicht überdeckt sind.
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In einer bevorzugten Variante wird der Anodenteller aus mehreren Teilen zusammengesetzt, die in Achsrichtung der Drehkolbenröhre übereinander liegen. Der brennbahnseitige Teil wird von der Rückseite her mit mehreren Schlitzen versehen, die sich idealerweise in Richtung zur Brennbahn hin verjüngen. Diese Verjüngung kann dabei auch stufenweise erfolgen. Am oberen Ende der Schlitze soll eine gewisse Materialstärke, z. B. 2 mm, stehen bleiben.
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Das so entstandene Bauteil wird flächenhaft auf ein weiteres Bauteil gelötet, welches ein Teil der Vakuumhülle ist. Hierdurch entsteht im Anodenteller eine „Galerie”, deren Vorteile sich etwa wie folgt erläutern lassen: Die Sollbruchstellen am brennbahnseitigen Ende der Galerie erlauben, dass die Brennbahn im Hinblick auf die CT-Bildqualität geschlossen ist. Risse sind typischerweise schmaler als 10 μm bis 50 μm und beeinflussen – auch aufgrund ihres ungleichmäßigen Randes – die Bildqualität nicht negativ. Gleichzeitig erlaubt die Sollbruchstelle, dass für das weitere Leben der Röntgenröhre nach Eintritt des Sollbruchs nicht die mechanische Spannung an der Brennbahnoberfläche für neue Risse entscheidend ist, sondern die mechanische Spannung am Grunde der Galerie. Da hier die Angriffsfläche nicht das Ende eines an der Brennbahnoberfläche unvermeidbaren kleinen Anrisses ist, sondern die komplette Fläche des Galeriegrundes, verteilt sich die Spannung. Bei geeigneter Auswahl der Galeriegeometrie ist die mechanische Spannung am Rissgrund kleiner als die Bruchspannung des Anodenmaterials am Rissgrund. Daher entstehen dort keine neuen Risse. Da zusätzlich der Sollbruch zu einer Entlastung der Brennbahnoberfläche führt, entstehen an der Oberfläche ebenfalls nur die Sollbrüche. Diese werden aber in der vorstehend beschriebenen Weise in den Galerien aufgehalten. Daher begrenzt das Entstehen von Rissen an der Anodenoberfläche nicht die Lebensdauer der Röntgenröhre.
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In einer Variante der erfindungsgemäßen Lösung werden von oben durch die Brennbahn Entlastungsschlitze eingebracht (also analog zum Stand der Technik), wobei diese Entlastungsschlitze jedoch eine sehr viel kleinere Breite be aufweisen, die wiedergegeben wird durch: 2·Π·rB·fD·ti < 100·bE
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Auch bei dieser Art der vorgefertigten Schlitze ohne Sollbruchdeckschicht sollen sich die Schlitze im Teller (analog zum Querschnitt der Galerien) verbreitern oder in einer zylindrischen Struktur enden.
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Der Vorteil der Erfindung liegt in der höheren Lebensdauer der Röntgenröhre bzw. in der höheren erzielbaren Röntgenleistung. Letzteres (höhere Röntgenleistung) liegt daran, dass bei höheren Elektronenstrahlleistungen (welche unmittelbar proportional zur Röntgenleistung sind) die Temperaturen (unter ansonsten gleichen Bedingungen) ansteigen und damit die mechanischen Spannungen im Anodenteller größer werden. Dies führt früher (im Extremfall sofort) zu Rissen. Unter Einsatz der Erfindung ist die Rissbildung aber ohne Belang und die Röntgenröhre kann auch mit Rissen in der Anode betrieben werden. Da nach dem Entstehen einiger Risse keine zusätzlichen neuen Risse mehr entstehen (dies ist ein experimentell gesicherter Befund) bewirkt die Erfindung eine größere Lebensdauer und eine höhere Maximalleistung einer RET-Röntgenröhre als nach dem Stand der Technik.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 einen Schnitt durch das anodentellerseitige Ende einer Drehkolbenröhre mit einem den Anodenteller umhüllenden Topf,
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2 einen der 1 entsprechenden Schnitt durch eine Ausführungsform bei der der Anodenteller mit unter Sollbruchstellen liegenden Galerien versehen ist,
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3 eine Draufsicht auf den Anodenteller nach 2,
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4 und 5 Schnitt und Draufsicht auf eine gegenüber den 2 und 3 etwas abgewandelte Ausführungsform des Anodentellers und
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6 bis 9 Seitenansicht von Anodentellern mit eingebrachten Galerien die jeweils unterschiedliche Form aufweisen.
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Die 1 zeigt den anodenseitigen Teil einer direkt gekühlten Drehkolbenröhre 1, deren Vakuumhülle 2 im Bereich des Anodentellers 3 eine topfartige Struktur 4 zeigt, die den Anodenteller 3 in Abstand umgreift, wobei der Anodenteller 3 durch Wärmebrücken, z. B. in den Topf gelötete Klötze, im vorliegenden Fall eine äußeren Ring 5, eine Bodenabstützring 6 und ein weiteres Bodenabstützteil 7 gegenüber dem Topf abgestützt ist. Diese Wärmebrücken halten den Anodenteller 3 mechanisch an seinem Ort. Entscheidend ist, dass der Bereich des Anodentellers unter der Brennbahn 8 nicht so fest mit der Vakuumhülle verbunden ist, dass ein Riss im Anodenteller 3 sich in der Vakuumhülle 1, 4 fortsetzen kann.
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Die 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Anodentellers 3', in dem vakuumgefüllte „Galerien” 9 angeordnet sind, die nach Eintritt eines Sollbruchs zu einer großen effektiven Risstiefe führen.
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Der Anodenteller 3' besteht dabei aus einem oberen Teil 3a und einem darunter gelöteten unteren Teil 3b, wobei die, im vorliegenden Fall sechs, Galerien 9, die sich radial erstrecken und in Umfangsrichtung beabstandet sind, unterhalb von Sollbruchdeckschichten 10 liegen, die diese Galerien ganz oder teilweise (beim Ausführungsbeispiel nach den 2 und 3 nur teilweise) überdecken. Am inneren Ende der Galerien liegen diese im Bereich 11 nach oben offen, was allerdings für die Bildqualität bei zeitaufgelösten Röntgenuntersuchungen keine Rolle spielt, da sich diese Stelle bereits innerhalb der eigentlichen Brennfleckbahn 8 befindet.
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Die Vakuumhülle 2 der Drehkolbenröhre weist bei der Ausführungsform nach den 2 und 3 keinen den Anodenteller vollständig umgreifenden Topf auf, sondern sie besitzt lediglich einen Rand 4' der dichtend am Rand des Anodentellers anliegt, während dessen Bodenseite 12 unmittelbar in der Kühlflüssigkeit läuft.
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Die Anzahl der Galerien 9 ist so gewählt, dass die (tangentiale) mechanische Spannung zwischen den Galerien die Bruchspannung des Anodenmaterials nicht erreicht. Die Galerien sind durch die Sollbruchstellen bildenden Sollbruchdeckschichten 10 abgedeckt. Der Elektronenstrahl kann daher nicht in die Galerien eindringen.
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Beim Ausführungsbeispiel nach den 4 und 5 ist die Formgebung des oberen Teils 3a des Anodentellers durch Einbringen eines Ringschlitzes 13 abgewandelt, sodass die Galerien 9 nicht in Schlitzen nach oben ausmünden, sondern in Schlitzen 14 in den Ringraum 13.
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Die 6 bis 9 zeigen Varianten des Anodentellers gemäß den 2 und 3 mit geänderten Formen der eingebrachten Galerien 9' bis 9''''. Die exakte Gestalt der Galerie ist für die Funktion als rissauffangendes Element von untergeordneter Bedeutung. Wichtig ist dass die Galerie in Richtung der Brennbahn schmaler ist (6, 7 und 8). Möglich wäre es ebenfalls, dass Teile der Galerie 9'''' im unteren Teil 3b des Anodentellers angeordnet sind, wie dies in 9 dargestellt ist. Einfacher herstellbar sind aber die Bauvarianten nach den 6 bis 8, wobei natürlich auch andere Galerieformen noch denkbar wären. Darüber hinaus könnte der Anodenteller auch aus mehr als 3 übereinander angeordneten Teilen aufgebaut sein.
