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Die Erfindung betrifft eine Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung mit einer Anode gemäß dem Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Kühlung der Anode gemäß dem Patentanspruch 14.
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In der medizinischen Röntgenbildgebung werden zur Erzeugung von Röntgenstrahlung Röntgenstrahler verwendet, welche Kathoden und Anoden aufweisen. Die Kathode sendet einen Elektronenstrahl aus, welcher auf dem Brennfleck der Anode auftrifft und an dieser Stelle Röntgenstrahlung erzeugt. Häufig werden Drehanoden mit rotierenden Anodentellern verwendet, da diese durch ihre lang gezogene Brennbahn weniger schnell erhitzbar sind. Dennoch werden auch diese Drehanoden im Klinikalltag aufgrund starker Auslastung teilweise bis zur Weißglut erhitzt. So werden Anoden durch lange Aufnahmezeiten stark belastet. Zum Beispiel bei der Fluoroskopie wird eine Vielzahl von Röntgenaufnahmen im Pulsmodus erstellt, typisch sind hierbei 15 Bilder pro Sekunde mit einer Pulsbreite von 3,4 ms bis 13 ms.
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Um die Anode nicht zu überlasten, müssen in regelmäßigen Abständen Pausen eingelegt werden, zusätzlich muss die Anode gekühlt werden, um nicht zu überhitzen. Allgemein bekannte Methoden zur Kühlung verwenden häufig Kühlmittel, welche zum Beispiel durch das Innere des Anodentellers geleitet werden. Anschließend wird die Wärme einem Kühlaggregat zugeführt und an die Umgebung abgegeben. Des Weiteren sind Drehanoden bekannt, welche hohl und in ihrem Inneren als Wärmerohr ausgebildet sind, um so die überschüssige Wärme abzuführen.
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Aus dem Dokument
US 5,995,585 A ist eine Röntgenröhre mit einer Kathode und einer Drehanode bekannt, wobei die Röntgenröhre zusätzlich einen Elektronenkollektor aufweist, welcher ein Potential aufweist, welches positiver als das der Kathode ist und in einer Ausführung auch positiver als die Anode sein kann. Der Elektronenkollektor ist dazu da, rückgestreute Elektronen, die ansonsten die Wand der Röhre treffen würden, abzufangen. Aus der
DE 10 2006 060 135 A1 ist eine Kathoden-Anoden-Anordnung mit einer Elektronen sammelnden Struktur in einem Vakuumgefäß bekannt, bei der ebenfalls von der Kathode ausgesandte, von der Anode rückgestreute Elektronen von der Struktur aufgenommen werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung mit einer Anode bereitzustellen, welche eine besonders effektive Kühlung der Anode gewährleistet und insbesondere eine direkte Kühlung der Oberfläche der Anode ermöglicht; des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kühlung der Anode bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung mit einer Anode gemäß dem Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren zur Kühlung der Anode gemäß dem Patentanspruch 14; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche 2 bis 13 und 15 bis 17.
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Erfindungsgemäß ist zur Kühlung der erhitzten Anode einer Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung eine benachbart zu der Anode angeordnete, die Anode nicht berührende, zumindest teilweise elektrisch leitende Kühlungseinheit sowie mindestens eine Spannungserzeugungsvorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen die Anode und die Kühlungseinheit, wobei die Anode relativ zur Kühlungseinheit an ein negativeres Potential und die Kühlungseinheit an ein positiveres Potential angeschlossen ist, vorgesehen. Insbesondere wird die Anode an eine negative Spannung und die Kühlungseinheit an eine positive Spannung angeschlossen.
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Erfindungsgemäß ist die Spannungserzeugungsvorrichtung mit einer Steuerungseinheit zur Ansteuerung des Anlegens der Spannungen an die Anode und an die Kühlungseinheit verbunden.
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Mittels der Steuerungseinheit wird das negativere Potential an die Anode und das positivere Potential an die Kühlungseinheit genau dann angelegt, wenn keine Röntgenstrahlung erzeugt wird und die Temperatur des Anodentellers der Anode eine vorgegebene Schwelle übersteigt. Auf diese Weise können z. B. Pausen beim Betrieb des Röntgenstrahlers dazu verwendet werden, die Anode abzukühlen. Andererseits wird die Anode nur dann gekühlt, wenn eine Kühlung auch tatsächlich notwendig ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung der erhitzten Anode wird mittels mindestens der Spannungserzeugungsvorrichtung eine negativere, insbesondere negative, Spannung an die Anode angelegt und gleichzeitig eine positivere, insbesondere positive, Spannung an die Kühlungseinheit angelegt, wobei mittels der Steuerungseinheit die Spannung genau dann angelegt wird, wenn keine Röntgenstrahlung erzeugt wird und die Temperatur des Anodentellers der Anode eine vorgegebene Schwelle übersteigt. Die heiße Anode emittiert Elektronen, welche durch die negative Aufladung der Anode von dieser weg beschleunigt und durch die positive Spannung der Kühleinheit angezogen werden. Dadurch fließt ein Strom von der Anode zu der Kühlungseinheit, die Anode gibt Wärme ab und es wird auf diese Weise eine besonders effektive, einfache und aufwandsarme Kühlung der Anode bewirkt. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Kühlmethode liegt darin, dass direkt die Oberfläche der Anode gekühlt wird, also der Teil der Anode der auch am stärksten aufgeheizt wird. Insgesamt kann also eine derart gekühlte Anode stärker belastet werden.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Anode als Drehanode mit einem rotierbaren Anodenteller ausgebildet. Eine derartige Drehanode ist in der medizinischen Röntgenbildgebung allgemein üblich, da sie eine größere Robustheit gegenüber einer statischen Anode aufweist. Die Drehanode ist im Allgemeinen im Gehäuse einer Vakuumröhre eines Röntgenstrahlers angeordnet.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlungseinheit ringförmig ausgebildet und im Wesentlichen um den Anodenteller herum, beabstandet von diesem, angeordnet. Auf diese Weise ist ein ungehinderter Betrieb der Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtungen möglich. Die Breite der ringförmigen Kühlungseinheit kann dabei in etwa der Breite des Anodentellers entsprechen.
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In vorteilhafter Weise ist die Kühlungseinheit auf dem Gehäuse der Vakuumröhre angeordnet. Dadurch kann die Kühlungseinheit zum Beispiel außerhalb des Vakuums angeordnet werden und ist somit einfacher mittels eines Kühlkreislaufes erreichbar.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlungseinheit zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus Wolfram oder einer Wolframlegierung ausgebildet. Das Metall Wolfram ist aufgrund seines besonders hohen Schmelzpunkts und seiner Härte für Hitzeanwendungen geeignet, zudem ist es zur Abschirmung von Röntgenstrahlung verwendbar.
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Um eine noch effektivere Kühlung erzielen zu können, ist die Kühlungseinheit wassergekühlt und insbesondere von einem Kühlkreislauf durchflossen. Insbesondere bei einer ringförmigen Kühlungseinheit kann das Innere der Kühlungseinheit hohl sein und von einer Kühlflüssigkeit durchflossen werden. Ein solcher Kühlkreislauf erhöht die von der Kühlungseinheit aufnehmbare Wärmeenergie.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kondensatorbatterie als Spannungserzeugungsvorrichtung vorgesehen. Eine solche Kondensatorbatterie ist im Allgemeinen bereits in dem Röntgengenerator beziehungsweise dessen Zwischenkreis vorhanden und kann zusätzlich als Antrieb für die Kühlungseinheit genutzt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Strahlungserzeugungsvorrichtung mit einer zweiten Kondensatorbatterie verbunden, welche ebenfalls als Spannungserzeugungsvorrichtung verwendbar ist. Beide Spannungserzeugungsvorrichtungen können dadurch zum Beispiel wechselweise zur Erzeugung der Spannungen genutzt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird, insbesondere im Falle der beiden wechselweise genutzten Kondensatorbatterien, der durch die unterschiedlichen Spannungen hervorgerufene Ladungsfluss zum Aufladen der jeweils nicht zur Erzeugung der Spannungen verwendeten Kondensatorbatterie verwendet. Hierdurch kann effektiv Energie gespart und später wieder von dem Röntgengenerator genutzt werden.
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Zweckmäßigerweise ist der die Kühlungseinheit durchfließende Kühlkreislauf an einen Motor, z. B. einen Stirling-Motor, mit einem Generator zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie angeschlossen und wird die Abwärme zur Gewinnung von elektrischer Energie verwendet. Auf diese Weise kann die Abwärme sinnvoll genutzt werden und es geht weniger Energie nutzlos verloren.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt; es zeigen:
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1 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung in Verbindung mit einer Spannungserzeugungsvorrichtung;
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2 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung in Form eines Röntgenstrahlers mit einer Anode und einer Kühlungseinheit;
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3 eine Ansicht einer weiteren Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung gemäß der Erfindung mit zwei Kondensatorbatterien und einem Kühlkreislauf;
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4 eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung zum Antrieb eines Röntgenstrahlers;
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5 ein Verfahren nach einer Ausgestaltung der Erfindung zur Kühlung einer erhitzten Anode.
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In der 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung gezeigt. Diese weist einen Anodenteller 10 auf sowie eine Kühlungseinheit 11 in Form eines Kühlringes aus einer Wolframlegierung. Der Anodenteller 10 und die Kühlungseinheit 11 sind mit einer Kondensatorbatterie 12 verbunden, und zwar derart, dass eine Spannung zwischen dem Anodenteller 10 und der Kühlungseinheit 11 angelegt werden kann, wobei an den Anodenteller 10 das negative Potential und an die Kühlungseinheit 11 das positive Potential angelegt wird. Ist der Anodenteller 10 erhitzt, so emittiert er Elektronen. Durch die negative Ladung des Anodentellers werden die emittierten Elektronen entsprechend der Pfeilrichtung von dem Anodenteller weg beschleunigt und von der positiv geladenen Kühlungseinheit angezogen. Dadurch kommt es zu einem Wärmetransfer durch den Stromfluss.
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2 zeigt mehr im Detail einen Röntgenstrahler, welcher neben der Anode eine Kathode 13 sowie ein die Kathode und die Anode umschließendes Gehäuse 20 aufweist. Die als Kühlring ausgeformte Kühlungseinheit 11 ist auf dem Gehäuse 20 des Röntgenstrahlers derart angeordnet, dass der Kühlring um den Anodenteller 10 der Drehanode herum oder zumindest in dessen Nähe angeordnet ist und in etwa dieselbe Breite wie der Anodenteller aufweist. Der vor dem Gehäuse 20 befindliche Teil des Kühlrings ist hier gestrichelt dargestellt. Natürlich muss die Kühlungseinheit so ausgebildet sein, dass sie nicht den erzeugten Röntgenstrahl abschirmt. Der Kühlring kann auch schmaler als die Drehanode ausgebildet sein. Im Inneren des Röntgenstrahlers 14 beziehungsweise von dessen Gehäuse 20 befindet sich ein Vakuum 15. Die Kondensatorbatterie 12 ist einerseits mit dem Anodenteller 10 und andererseits mit der Kühlungseinheit 11 verbunden. Die Kondensatorbatterie 12 wird von einer Steuerungseinheit 24 zum Anlegen der Spannungen angesteuert.
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3 zeigt wiederum schematisch den Anodenteller sowie die Kühlungseinheit 11. Anhand der Pfeile ist die Bewegung der Elektronen gezeigt. Neben der ersten Kondensatorbatterie 12 ist eine zweite Kondensatorbatterie 16 vorhanden. Die Kondensatorbatterien sind so geschaltet, dass die erste Kondensatorbatterie 12 durch den Stromfluss aufgeladen wird, während die zweite Kondensatorbatterie 16 zum Anlegen der Spannungen an den Anodenteller und an die Kühlungseinheit verwendet wird. Die Kühlungseinheit 11 wird von einer Kühlflüssigkeit durchflossen und ist zudem an isolierte Kühlschläuche 17 derart angeschlossen, dass die Kühlungseinheit mit den Kühlschläuchen 17 einen Kühlkreislauf bildet. Am anderen Ende des Kühlkreislaufs ist ein Motor 18, insbesondere ein Stirling-Motor, angeschlossen. Der Motor 18 ist wiederum mit einem Generator 19 zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme verbunden. Die durch die Kühlungseinheit 11 fließende Kühlflüssigkeit wird erwärmt und in erwärmter Form dem Motor zugeführt. Aus dieser Wärme erzeugt der Generator elektrische Energie, hierdurch wird die Kühlflüssigkeit wieder abgekühlt. Die abgekühlte Kühlflüssigkeit ist daraufhin zu der Kühlungseinheit, und kann dort wiederum Wärme aufnehmen.
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4 zeigt eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung zum Antrieb des Röntgenstrahlers 14, wobei die erste Kondensatorbatterie 12 und die zweite Kondensatorbatterie 16 so geschaltet sind, dass sie wechselweise zum Anlegen der Spannungen an die Kühlungseinheit 11 und den Anodenteller 10 verwendet werden, während die jeweils andere Kondensatorbatterie von dem erzeugten Stromfluss zumindest teilweise aufgeladen wird. Die Schaltungsanordnung weist einen Gleichspannungs-Zwischenkreis 21 auf, dessen Ausgangsspannung einem Wechselrichter 22 zugeführt wird. Der Wechselrichter 23 speist einen Hochspannungstransformator 23, dessen Ausgang eventuell unter Zwischenschaltung eines Hochspannungsgleichrichters an den Röntgenstrahler 14 angeschlossen ist.
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5 zeigt die Schrittfolge einer einfachen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, für welche z. B. auch eine einzige Spannungsversorgungsvorrichtung ausreichend ist. Während einer typischen Röntgen-Pulssequenz mit 15 Pulsen einer Dauer von z. B. jeweils 10 ms innerhalb von einer Sekunde, also mit Pausen zwischen den Pulsen von etwa 60 ms, wird in den Pulspausen zur Kühlung eine Spannung zwischen den Anodenteller und die Kühlungseinheit angelegt, wobei an den Anodenteller eine negative Spannung und an die Kühlungseinheit eine positive Spannung angelegt werden. Es erfolgt also ein Röntgenpuls (Schritt S1), anschließend wird die Spannung angelegt und dadurch gekühlt (Schritt S2), dann erfolgt wieder ein Röntgenpuls (Schritt S1), anschließend Anlegen der Spannung und Kühlung (S2). Diese beiden Schritte werden so lange abwechselnd wiederholt, bis die Pulssequenz beendet ist (Schritt S3).
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Bei der Verwendung von zwei aufladbaren Kondensatorbatterien wie in 4 kann das Verfahren folgendermaßen durchgeführt werden: Es wird z. B. aus der ersten Kondensatorbatterie 12 die zur Kühlung benötigte Spannung mit negativem Potential an die Anode und mit positivem Potential an die Kühlungseinheit 11 angelegt. Nun fließt ein Strom über die Anode und die Kühlungseinheit in die zweite Kondensatorbatterie 16 und lädt die Kondensatoren der zweiten Kondensatorbatterie 16 auf. Kühlt die Anode ab, so wird der zur Kühlungseinheit 11 fließende Strom kleiner. Dieses Verhalten entspricht dem Ladeverhalten von Kondensatoren. Anschließend wird die zweite Kondensatorbatterie umgeschaltet, mit der Elektronik des Zwischenkreises verbunden und vollständig aufgeladen. Die zweite Kondensatorbatterie steht nun zur Erzeugung der Hochspannung für den nächsten Röntgenpuls des Röntgenstrahlers zur Verfügung. Anschließend an den Puls stellt die zweite Kondensatorbatterie 16 die Kühlspannung zur Verfügung, gleichzeitig wird dann wiederum die erste Kondensatorbatterie aufgeladen. Durch das abwechselnde Betreiben der beiden Kondensatorbatterien kann ein beträchtlicher Teil der Energie zurückgewonnen werden.
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Bei erhitzter Anode kann natürlich auch eine Kühlung unabhängig von einer Pulssequenz durchgeführt werden. Außerdem kann zum Beispiel eine regelmäßige Temperaturmessung der Anode vorgesehen sein. Bei Überschreitung einer zuvor festgelegten Temperaturschwelle wird dann automatisch ein Kühlvorgang ausgelöst.
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Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Zur verbesserten Anodenkühlung ist eine Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung mit einer Anode zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung, mit einer benachbart zu der Anode angeordneten, die Anode nicht berührenden, zumindest teilweise elektrisch leitenden Kühlungseinheit 11 vorgesehen, wobei die Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung mit mindestens einer Spannungserzeugungsvorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen die Anode und die Kühlungseinheit zur Erzeugung einer Kühlung verbunden ist, wobei die Anode relativ zur Kühlungseinheit an ein negativeres Potential und die Kühlungseinheit an ein positiveres Potential angeschlossen ist.
