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Die
Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zum Betrieb einer magnetohydrodynamischen Pumpe
(MHD-Pumpe) für
eine Flüssigmetallanode einer
Röntgenquelle
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, mit einer Flüssigmetallanode für eine Röntgenquelle
und mit einem Röntgenstrahler mit
einer Kathode zur Emission eines Elektronenstrahls und einer beim
Auftreffen des Elektronenstrahls Röntgenstrahlen emittierenden
Flüssigmetallanode.
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Seit
kurzem ist es bekannt, Röntgenstrahlen nicht über eine
feste Metallanode, die mit Elektronen beschossen wird, zu erzeugen,
sondern mit einer Flüssigmetallanode.
Diese Technologie wird LIMAX (Liquid Metal Anode X-ray) genannt.
Eine solche Flüssigmetallanode
ist aus der
DE 198
21 939 A1 bekannt und benötigt für ihren Betrieb die folgenden Komponenten.
In einer Leitung befindet sich ein Flüssigmetall, das eine hohe,
mittlere Atomzahl aufweisen muss, um eine gute Röntgenausbeute beim Beschuss
mit Elektronen zu erzielen. In die Leitung ist um den Fokusbereich
herum ein Anodenmodul eingesetzt, in dem der Elektronenstrahl auf
das Flüssigmetall
auftrifft und die Röntgenstrahlung
erzeugt wird. An dieser Stelle muss das Anodenmodul so ausgebildet
sein, dass es nur eine geringere Wechselwirkung mit den durch es
hindurchtretenden Elektronen aufweist. Dies wird regelmäßig mit
einem sogenannten Elektronenfenster erreicht, in dem die hindurchtretenden
Elektronen nur geringfügig
abgebremst werden. Um die im Fokusbereich entstehende Wärme abzuführen, wird
eine MHD-Pumpe verwendet, die das Flüssigmetall durch die Leitung
und somit auch den Fokusbereich umwälzt. Wird ein geschlossener
Kreislauf des Flüssigmetalls
verwendet, wird über
einen Wärmetauscher
eine Abkühlung
des aufgeheizten Flüssigmetalls
erreicht. Aufgrund der vorgegebenen Rahmenbedingungen ist es – wie oben
schon aufgeführt – nötig, dass
das Flüssigmetall
eine hohe, mittlere Atomzahl aufweist und darüber hinaus einen mittleren
Schmelzpunkt hat. Des Weiteren muss die Flüssigmetallanode äußerst kompakt
aufgebaut sein. Es ergeben sich somit für die Gesamtheit der vorbezeichneten
einzelnen Teile der Flüssigmetallanode
bezüglich
ihrer Interaktionen starke Beschränkungen, da die einzelnen Teile
gut zusammenpassen müssen.
Dies gilt insbesondere auch für
die Pumpe zum Umwälzen
des Flüssigmetalls.
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Auch
aus der
US 4,953,191 ist
eine Flüssigmetallanode
bekannt, die eine MHD-Pumpe aufweist. Diese MHD-Pumpe pumpt das
Flüssigmetall mit
konstantem Druck in einer Flüssigmetallanode um.
Diese Flüssigmetallanode
verwendet flüssiges Gallium
als Flüssigmetall.
Dadurch kann die Flüssigmetallanode
nahe der gewöhnlichen
Raumtemperatur ohne temperaturbedingte Spannungen in der Apparatur
verwendet werden. Bei einem Absinken der Temperatur unter den Schmelzpunkt
muss das Gallium erst wieder flüssig
gemacht werden, indem die Temperatur dementsprechend erhöht wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer
Flüssigmetallanode, einzelne
Teile einer Flüssigmetallanode
beziehungsweise ein Gesamtsystem zur Verfügung zu stellen, das eine gute
Arbeitsweise der Flüssigmetallanode ermöglicht,
wobei die Einzelteile der Flüssigmetallanode
gut aufeinander abgestimmt sind.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer magnetohydrodynamischen
Pumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Um besonders
gut und sicher im ausgeschalteten Zustand transportiert werden zu
können,
muss das Flüssigmetall
einer erfindungsgemäßen Flüssigmetallanode
bei Zimmertemperatur fest sein. Im Betrieb dagegen muss das Flüssigmetall
flüssig
sein. Dadurch ergibt sich das Problem, dass zwischen dem Betriebsmodus
und dem Ruhemodus eine Verflüssigung
beziehungsweise Erstarrung des Flüssigmetalls erfolgen muss,
was entweder über
Wärm- und Kühlelemente
an der Leitung der Flüssigmetallanode geschehen
kann oder erfindungsgemäß durch
unterschiedliche Moden im Betrieb der magnetohydrodynamischen Pumpe.
Durch den Auftaumodus wird das im Ruhemodus und bei Zimmertemperatur
feste Flüssigmetall
in der Leitung geschmolzen. Hierfür wird erfindungsgemäß im Auftaumodus
vorteilhafterweise der Motor der Pumpe ständig abwechselnd an- und ausgeschaltet.
Dadurch werden im festen Flüssigmetall
Wirbelströme
induziert, die sich graduell verteilen und zu einer ohmschen Erwärmung des Flüssigmetalls
führen.
Dies wird so lange fortgesetzt, bis das gesamte Flüssigmetall
geschmolzen ist. Dagegen liegt im Betriebsmodus ein geschmolzenes Flüssigmetall
vor, das durch die Leitung gepumpt wird. In diesem Betriebsmodus
erfolgt die Erzeugung von Röntgenstrahlen.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Auftaumodus über einen
Sensor erfasst wird, ob der flüssige
Zustand des Flüssigmetalls
erreicht ist. Dadurch kann sehr exakt eine möglichst frühzeitige Umschaltung vom Auftaumodus
in den Betriebsmodus erfolgen, nachdem das gesamte Flüssigmetall
geschmolzen wurde und sich somit im flüssigen Zustand befindet.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
ein dritter Modus als Hochfahrmodus vorhanden ist, in dem die Rotationsgeschwindigkeit
der Pumpe gesteigert wird. Dadurch wird ein langsames graduell ansteigendes
Umwälzen des
geschmolzenen Flüssigmetalls
erreicht und die Pumpe muss nicht übermäßig und schlagartig ihre volle
Leistung erbringen. Besonders bevorzugt geschieht dies dadurch,
dass die Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe gesteigert wird, bis
das Flüssigmetall
seine normale Flussgeschwindigkeit aufweist.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
ein vierter Modus als Herunterfahrmodus vorhanden ist, in dem nach
der Erzeugung von Röntgenstrahlen
die Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe stufenweise verringert wird.
Dadurch wird vermieden, dass sich in der Leitung Druckwellen bilden,
die beispielsweise zu einem zerbersten des Elektronenfensters im
Fokusbereich führen
können.
Damit wird die gesamte Flüssigmetallanode
in ihrer Lebensdauer erheblich erhöht. Bevorzugt wird die stufenweise
Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe erst dann vorgenommen,
wenn die Temperatur des Flüssigmetalls
unter einen vorgebbaren Schwellenwert sinkt, der insbesondere weniger
als 50°C
oberhalb des Schmelzpunkts des Flüssigmetalls liegt.
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Des
Weiteren wird die Aufgabe durch eine Flüssigmetallanode für eine Röntgenquelle
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Die hierzu eingesetzte
erfindungsgemäße Pumpe
gemäß den vorstehenden
Ausführungen
ist besonders gut für eine
Flüssigmetallanode
geeignet.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
als Flüssigmetall
eine Bi-Legierung insbesondere BiPb oder BiPbInSn, verwendet wird.
Dies hat zum einen den Vorteil, dass keine quecksilberhaltigen Verbindungen
verwendet werden müssen,
die aus Gesundheitsgründen
in vielen Staaten mittlerweile verboten sind. Die genannten Bi-Legierungen
weisen neben ihrer hohen mittleren Atomzahl auch einen Schmelzpunkt
auf, der im Ruhemodus ein Erstarren des Flüssigmetalls gewährleistet. Der
Schmelzpunkt von BiPb liegt bei 125°C und der von BiPbInSn bei 55,5°C. Besonders
bevorzugt liegt der Gewichtsanteil des Bi in der BiPb-Legierung
zwischen 50 und 60 Gew.%, insbesondere bei 55,5 Gew.%, und der Rest
ist Pb. Bei einer Verwendung einer BiPbInSn-Legierung ist es in
der Regel besonders bevorzugt, wenn die BiPbInSn-Legierung einen Anteil Bi von 49,4 Gew.%,
Pb von 18,8 Gew.%, In von 21,0 Gew.% und Sn von 11,6 Gew.% aufweist.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Leitung aus Molybdän ist.
Da Bismut-Legierungen Stahlrohre korrodieren, wenn die Temperatur
der Bismut-Legierung
im Bereich einiger hundert Grad liegt – was bei einem Beschuss mit
Elektronen im Fokusbereich während
des Betriebs normal ist – wird
dies bei der Verwendung einer Molybdän-Leitung vermieden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
das Anodenmodul vollständig
aus Molybdän
ist und ein Elektronenfenster darin eingesetzt ist, das aus lichtdurchlässigem kubischen Bornitrid – T-cBN – besteht.
Dadurch wird gewährleistet,
dass durch die flüssige
Bismut- Legierung
auch im Fokusbereich keine Korrosion der Leitung erfolgt. Das Elektronenfenster,
das regelmäßig mit
dem Fokusbereich verlötet
ist, weist sehr ähnliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie Molybdän
auf, die jeweils im Bereich von 4 × 10–6 K–1 liegen.
Dadurch werden bei einer Erhitzung Zugspannungen vermieden, die
das Elektronenfenster zum Springen bringen könnten. Außerdem weist das T-cBN eine
hohe Wärmeleitfähigkeit
von 300 W m–1K–1 auf.
Besonders bevorzugt ist die Dicke des Elektronenfensters 40 μm.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Kühlung
ein Querstrom-Wärmetauscher
in Minikanalbauweise ist. Damit ist auch bei geringem Platz für die gesamte
Flüssigmetallanode
eine gute Kühlung
des heißen
Flüssigmetalls
möglich.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand des näher in der
Figur dargestellten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Flüssigmetallanode
beschrieben. Die einzige Figur zeigt:
Eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Flüssigmetallanode
inklusive Elektronenquelle.
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In
der Figur ist eine erfindungsgemäße Flüssigmetallanode 1 schematisch
dargestellt, wie sie in Relation zu einer Kathode 9 angeordnet
ist. Die Kathode 9 ist an einem Hochspannungsisolator 11 angebracht
und dient zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 10, der
auf die Flüssigmetallanode 1 trifft
und dort zur Erzeugung von Röntgenstrahlen
verwendet wird.
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Bei
vielen Anwendungen im Bereich der zerstörungsfreien Analyse und der
Sicherheitsüberwachung
von Gepäckstücken ist
es notwendig, dass die Röntgenquelle
eine Röntgenstrahlung über eine
beachtliche Zeitspanne, teilweise über mehrere Stunden, erzeugt.
Deswegen ist es bei Flüssigmetallanoden 1 notwendig,
dass das Flüssigmetall 2 kontinuierlich
durch die Leitung 3 der Flüssigmetallanode 1 zirkuliert.
Dazu weist sie eine Pumpe 5 auf, die das Flüssigmetall 2 in
der Leitung 3 umwälzt.
Darüber
hinaus ist auch eine Kühlung 6 nötig, um
das Flüssigmetall 2 abzukühlen, welches
im Fokusbereich 4 – wo
der Elektronenstrahl 10 auf die Flüssigmetallanode 1 trifft – stark
erwärmt
wird. Des Weiteren ist es nötig,
dass die Röntgenquelle
und somit auch die Flüssigmetallanode 1 problemlos
und sicher von einem Ort zu einem anderen Ort transportiert werden kann,
ohne dass für
den Betrieb wesentliche Teile kaputt gehen. Hierbei ist insbesondere
an ein Elektronenfenster 8 gedacht, durch welches der Elektronenstrahl 10 im
Anodenmodul 15 zum Flüssigmetall 2 vordringt.
Bei einer Verwendung von Potentialen im Bereich von 200 kV wird
normalerweise ein gegenpoliger Hochspannungsgenerator verwendet,
in dem das Gehäuse
auf Erdpotential gehalten wird, aber die Flüssigmetallanode 1 und
die Kathode 9 symmetrisch auf entgegengesetzten Potentialen
bezüglich des
Erdpotentials gehalten werden. Dadurch ist es nötig, dass die Flüssigmetallanode 1,
insbesondere ihre Leitung 3, sehr kompakt ausgeführt ist,
damit sie leicht in die auf dem negativen Hochspannungspotential
gehaltenen Terminal des gegenpoligen Hochspannungsgenerators montiert
werden kann.
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Dafür ist es
nötig,
die Flüssigmetallanode 1 mit
Komponenten auszugestalten, die im Folgenden im Einzelnen näher beschrieben
werden.
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Um
eine hohe Ausbeute an Röntgenstrahlen zu
erhalten, muss ein Flüssigmetall 2 mit
einer hohen Atomzahl verwendet werden. Das früher bevorzugte Quecksilber
kann aufgrund seiner gesundheits- und umweltgefährdenden Nebenwirkungen nicht
mehr verwendet werden. Deshalb wird in der erfindungsgemäßen Flüssigmetallanode 1 eine
Legierung verwendet, die Bismut oder Blei enthält. Bevorzugt wird dabei eine
Legierung, die sowohl Bismut als auch Blei enthält. Als besonders bevorzugt
wird ein Flüssigmetall
aus BiPb verwendet, mit einem Anteil von 55,5 Gew.% Bi und den Rest
Pb. Diese Legierung weist einen Schmelzpunkt von 125°C auf. Eine
andere besonders bevorzugte Legierung ist BiPbInSn mit einem Anteil
von 49,4 Gew.% Bi, 18,0 Gew.% Pb, 21,0 Gew.% In und der Rest Sn.
Diese Legierung weist einen Schmelzpunkt von 55,5°C auf. Damit
ist das verwendete Flüssigmetall 2 bei
Raumtemperatur fest und eine Flüssigmetallanode 1 mit
einem solchen Flüssigmetall 2 kann
sicher transportiert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass
das Elektronenfenster 8 bei normalen Vorsichtsmaßnahmen bricht.
Darüber
hinaus haben die beiden vorgenannten Legierungen den Vorteil, dass
sie beim Erstarren ihr Volumen verringern. Damit wird vermieden,
dass die Leitung 3, insbesondere das dünne Elektronenfenster 8 gesprengt
wird, wie dies beispielsweise bei dem sich beim Gefrieren ausdehnenden
Wasser der Fall wäre.
Darüber
hinaus weisen die beiden Ausführungsbeispiele
der Legierungen jeweils Blei und Bismut auf, die beide einen hohen
Dampfdruck aufweisen. Ein Riss im Elektronenfenster 8 im
Betriebsmodus – wenn
das Flüssigmetall 2 in
flüssiger
Form durch die Leitung 3 gepumpt wird – kann dann sehr leicht festgestellt
werden, indem die Qualität
des Vakuums in der Röntgenröhre überwacht
wird.
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Bei
der Verwendung einer Indium-Legierung als Flüssigmetall 2 kann
für die
Leitung 3 kein Stahl verwendet werden, da Indium bei einer
Temperatur von 100°C – wie dies
im Betriebsmodus durchaus der Fall ist – Stahlleitungen korrodiert.
Um eine solche Korrosion zu verhindern, wird die Leitung 3 und
das gesamte Anodenmodul 15 aus Molybdän gefertigt. Dies hat darüber hinaus
den Vorteil, dass es hinsichtlich seines Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf das weiter unten beschriebene Elektronenfenster 8 hervorragend
abgestimmt ist. Darüber
hinaus weist eine Leitung 3 aus Molybdän eine geringe magnetische Permeabilität auf, was
für die
einwandfreie Funktion der Pumpe 5 – wie nachfolgend beschrieben – wichtig
ist.
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Das
Anodenmodul 15 ist in seinem Fokusbereich 4 folgendermaßen ausgebildet.
Der Kathode 8 zugewandt weist es ein Elektronenfenster 8 auf. Durch
dieses Elektronenfenster 8 tritt der Elektronenstrahl 10,
um mit dem Flüssigmetall 2 in
Wechselwirkung zu treten und somit Röntgenstrahlen zu erzeugen.
Bisher sind als Elektronenfenster 8 entweder dünne Metallfolien
aus Wolfram oder Molybdän
sowie Diamantfilme bekannt. Die bekannten Metallfolien sind jedoch
anfällig
für Ermüdungsrisse.
Die Diamantfilme haben den Nachteil, dass sie in ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten – der bei
circa 1 × 10–6 K–1 liegt – einen
sehr großen
Unterschied zu dem Material des Anodenmoduls 15 – nämlich Molybdän mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 4 × 10–6 K–1 – aufweist.
Dieser Unterschied führt
zu Spannungen im Elektronenfenster 8, da es normalerweise
bei einer Temperatur von 1.100°C
mit dem Anodenmodul 15 verlötet ist. Dadurch ergibt sich
eine äußerst unvorteilhafte
Verkürzung
der Lebensdauer und eine hohe Druckempfindlichkeit des Fokusbereichs 4.
Im Ausführungsbeispiel
wird deswegen ein Elektronenfenster 8 verwendet, das aus
einem T-cBN besteht, das in einer ähnlichen Art wie ein Kühlkörper für eine Hochleistungslaseranode
verwendet wird. Das T-cBN besitzt gegenüber dem oben genannten Elektronenfenster 8 den
Vorteil einer hohen Wärmeleitfähigkeit
im Bereich von 300 W m–1K–1 in
Verbindung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 4 × 10–6 K–1.
Dieser Wärmeausdehungskoeffizient
stimmt mit dem des Molybdän überein,
aus dem das Anodenmodul 15 – auch im Bereich des Fokusbereichs 4 – besteht.
Um möglichst
nur einen geringen Energieverlust und kaum Wechselwirkung des Elektronenstrahls 10 im
Elektronenfenster 8 zu erhalten, ist das Elektronenfenster 8 nur
40 μm dick.
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Das
Anodenmodul 15 weist im Fokusbereich 4 in Flussrichtung 7 nacheinander
einen Konfusorbereich 12, einen Wechselwirkungsbereich 13 und
einen Diffusorbereich 14 auf. Im Konfusorbereich 12 wird
ein turbulenter (verwirbelter) Fluss des Flüssigmetalls 2 erzeugt.
Die Verwirbelungen führen
dazu, dass im Wechselwirkungsbereich 13 ein guter Wärmetransport
der bei der Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl 10 im
Flüssigmetall 2 entstehenden Wärme erfolgt.
In dem sich anschließenden
Diffusorbereich 14 wird die Geschwindigkeit des Flusses ohne
große
Reibungsverluste wieder auf die normale Größe zurückgeführt.
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Aufgrund
der Verwendung eines Flüssigmetalls 2,
das bei Raumtemperatur fest ist und im Betriebsmodus flüssig, muss
es immer vor Betrieb über seinen
Schmelzpunkt erhitzt werden, damit eine zufrieden stellende Funktionsweise
der Röntgenquelle gewährleistet
wird. Dabei kommt der erfindungsgemäßen Pumpe 5 eine wichtige
Rolle zu. Neben der klassischen Rolle einer Pumpe 5 – nämlich der
Umwälzung
des Flüssigmetalls 2 in
der Leitung 3 – nimmt
diese auch das Schmelzen und Erhitzen des Flüssigmetalls 2 wahr.
Schließlich
ist aufgrund der nötigen
kompakten Bauweise der gesamten Flüssigmetallanode 1 – da sie
auf das Kathodenpotential der Röntgenquelle
gelegt werden muss – auch
eine sehr kompakte Ausführung
der Pumpe 5 nötig.
Die vorgenannten Eckpunkte werden durch ein kontaktloses Grundprinzip
erfüllt,
das eine magnetohydrodynamische Kraft verwendet. Mit einer solchen
Pumpe 5 kann ein Magnetwechselfeld unter der Verwendung eines
Systems von Permanentmagneten erzeugt werden, die auf einer von
einem konventionellen kleinen Wechselstrommotor angetriebenen Platte
angeordnet sind. Die Vorteile einer solchen magnetohydrodynamischen
Pumpe 5, die Dauermagnete nutzt, liegen in einer höheren Effizienz,
keinen elektrischen Isolationsproblemen bei hohen Temperaturen,
einer einfacheren Konstruktion und einem geringeren Gewicht sowie
einer kleineren Abmessung. Wie oben schon ausgeführt, ist die Leitung 3 aus
Molybdän, was
eine geringe magnetische Permeabilität aufweist. Dadurch ist es
möglich,
dass die wechselnden Magnetfelder – die durch das Rotieren der
Permanentmagneten erzeugt wird, durch die Leitung 3 hindurch tritt
und dadurch im Flüssigmetall 2 eine
Kraft induziert. Dies ist für
den unten beschriebenen Auftaumodus wichtig.
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Die
Pumpe 5 ist über
eine Abschirmung von dem Vakuumsystem der Röntgenröhre getrennt, so dass keine
Wechselwirkung im elektromagnetischen System auftritt. Die erfindungsgemäße Pumpe 5 weist
vier verschiedene Moden auf, nämlich
einen Auftaumodus, einen Hochfahrmodus, einen Betriebsmodus und
einen Herunterfahrmodus, die im Folgenden im Einzelnen beschrieben
werden.
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Wie
oben beschrieben, muss aufgrund seines Schmelzpunktes oberhalb der
Zimmertemperatur das Flüssigmetall 2 vor
der Inbetriebnahme der Röntgenquelle
erwärmt
und geschmolzen werden. Um ein möglichst
kompaktes System zu erhalten, wird dies im Ausführungsbeispiel durch die Pumpe 5 miterfüllt. In
diesem Auftaumodus wird der Heizeffekt dadurch erzeugt, dass der
Pumpenmotor stoßweise betrieben
wird. Wenn ein wechselndes Magnetfeld in ein festes Metall induziert
wird, bilden sich aufgrund der magnetohydrodynamischen Kräfte Wirbelströme. Da sich
das Flüssigmetall 2 in
seinem festen Zustand nicht bewegen kann, verteilen sich die Wirbelströme graduell
und führen
zu einer ohmschen Erwärmung des
in fester Form vorliegenden Flüssigmetalls 2.
Der stoßweise
Betrieb der Pumpe 5 führt
dazu, dass das schon geschmolzene Flüssigmetall 2 graduell
Wärme auf
das noch feste Flüssigmetall 2 abgibt.
Der Auftaumodus wird beendet, wenn ein Temperaturfühler in
der Nähe
des Fokusbereichs 4 auf dem in Flussrichtung 7 pumpenfernen
Ende signalisiert, dass der flüssige
Zustand des Flüssigmetalls 2 erreicht
wurde.
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Im
Hochfahrmodus wird der Pumpe 5 kontinuierlich elektrische
Leistung zugeführt
und auf das Flüssigmetall 2 übertragen.
Die an die Pumpe 5 bei der nominellen Rotationsgeschwindigkeit übertragene
elektrische Leitung wird gemessen. Wenn keine weitere Änderung
in der elektrischen Leistungsaufnahme erfolgt, hat das Flüssigmetall 2 seine
normale Flussgeschwindigkeit erreicht.
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Wenn
dieser Hochfahrmodus beendet ist, kann der Betriebsmodus gestartet
werden. In diesem Modus wird der Elektronenstrahl 10 auf
das Flüssigmetall 2 im
Fokusbereich 4 zur Erzeugung der Röntgenstrahlung geschossen.
Dazu wird Hochspannung an die Röntgenquelle
angelegt. Im Betriebsmodus wird auch Kraft auf das Flüssigmetall 2 über die
Pumpe 5 übertragen,
um Reibungsverluste im Kreislauf zu kompensieren.
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Nachdem
die Hochspannung der Röntgenröhre abgeschaltet
ist und kein Elektronenstrahl 10 mehr auf das Flüssigmetall 2 trifft,
ist das Flüssigmetall 2 trotzdem
noch stark erhitzt. Die Pumpe 5 arbeitet deswegen noch
bei normaler Leistung weiter, bis die Temperatur des Fokusbereichs 4 unter
einen vorgegebenen Schwellenwert gefallen ist. Als Schwellenwert
wird bevorzugt eine Temperatur genommen, die 50°C über dem Schmelzpunkt des verwendeten Flüssigmetalls 2 liegt.
Somit ergibt sich als Schwellenwert bei der Verwendung von BiPb
175°C und
bei der Verwendung von BiPbInSn ein Schwellenwert von 105,5°C. Wird dieser
Schwellenwert unterschritten, wird die elektrische Leistung der
Pumpe schrittweise herabgesetzt, um Druckwellen des Flüssigmetalls 2 innerhalb
der Leitung 3 zu vermeiden. Dadurch wird eine erhebliche
Verlängerung
der Lebenszeit der Flüssigmetallanode 1 erreicht,
da insbesondere das sehr dünne
druckanfällige
Elektronenfenster 8 keinen Schaden nimmt.
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Als
letztes Element der Flüssigmetallanode 1 wird
die Kühlung 6 beschrieben.
Es handelt sich hierbei um einen kompakten Querstrom-Wärmetauscher in
Minikanalbauweise aus Molybdän.
Der hydraulische Durchmesser der Kanäle beträgt zwischen 0,3 und 3 mm. Das
heiße
Flüssigmetall 2 wird
in dem nur geringen zur Verfügung
stehenden Volumen von einigen cm3 gekühlt. Im
Sekundärkühlkreislauf
wird ein Öl
verwendet, das hochspannungsresistent und hitzebeständig bei
mittleren Temperaturen ist so dass keine elektrischen Durchschläge auftreten.
Solche Wärmetauscher
sind in der Literatur bekannt und werden deswegen im Folgenden nicht
näher beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße Röntgenstrahler weist
somit eine Kathode 9 zur Emission eines Elektronenstrahls 10 auf,
der beim Auftreffen auf die Flüssigmetallanode 1 zur
Röntgenstrahlenemission
führt.
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- 1
- Flüssigmetallanode
- 2
- Flüssigmetall
- 3
- Leitung
- 4
- Fokusbereich
- 5
- Pumpe
- 6
- Kühlung
- 7
- Flussrichtung
- 8
- Elektronenfenster
- 9
- Kathode
- 10
- Elektronenstrahl
- 11
- Hochspannungsisolator
- 12
- Konfusorbereich
- 13
- Wechselwirkungsbereich
- 14
- Diffusorbereich
- 15
- Anodenmodul