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Die
Erfindung betrifft eine Röntgeneinrichtung mit einer zu
einem Targetbereich ausgerichteten Kathode, mit einem Röhrengehäuse,
mit einer innerhalb des Röhrengehäuses um eine
Drehachse drehbar gelagerten Drehanodeneinheit, die einen Drehanodenteller
mit dem Targetbereich und eine mit dem Drehanodenteller drehfest
verbundene Welle umfasst, und mit einem Magnetlager, welches die
Welle berührungslos im Röhrengehäuse
lagert. Eine solche Röntgeneinrichtung findet insbesondere
in einem Computertomographie-Gerät Anwendung.
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Das
Röhrengehäuse ist insbesondere als ein Vakuumkolben
ausgebildet und aus einem Glas oder aus einem geeigneten Metall
gefertigt. Die zum Targetbereich des Drehanodentellers ausgerichtete
Kathode ist üblicherweise in das Röhrengehäuse
eingesetzt. Zur Abschirmung nach außen ist standardmäßig
ein weiteres Gehäuse vorgesehen, welches insbesondere mittels
eines Werkstoffes sehr hoher Dichte, z. B. Blei, strahlungsschutzverkleidet
ist.
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Im
Betrieb wird der Targetbereich des Drehanodentellers mit einem von
der Kathode ausgehenden Elektronenstrahl bestrahlt, so dass von
dem Targetbereich der Drehanode als Bremsstrahlung ein Röntgenstrahl
emittiert wird. Infolge der Bestrahlung durch den Elektronenstrahl
heizt sich der Targetbereich extrem auf. Selbst bei hohen Umdrehungszahlen
des Drehanodentellers von mehr als 150 Hz können am Targetbereich
Temperaturen von bis zu 2800°C erreicht werden. Um die
entstehende Wärme rasch abzuführen, wird der Drehanodenteller
aus einem hoch wärmeleitenden Material wie insbesondere
aus Molybdän oder einer Molybdän-Legierung gefertigt.
Der Targetbereich selbst wird beispielsweise durch Wolfram wärmefest
ausgestaltet. Unter diesen Bedingungen erhitzt sich der Drehanodenteller
dennoch während des Betriebs auf Temperaturen bis etwa
1400°C.
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Eine
Röntgenröhre der eingangs genannten Art ist beispielsweise
aus der
US 6,198,803
B1 bekannt. Zur magnetischen Lagerung sind der Welle magnetische
Rotorkomponenten zugeordnet. Außerhalb des Röhrengehäuses
sind als Statorkomponenten Axial- und Radialstabilisierungsmagnete
angeordnet. Die Statorkomponenten stehen mit den Rotorkomponenten
in einer magnetischen Wirkverbindung, so dass die Welle innerhalb
des Röhrengehäuses berührungslos gelagert
ist. Zum Antrieb des Drehanodentellers ist die Welle als ein Rotor
eines elektrischen Motors ausgeführt.
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Im
Unterschied zu einem Gleitlager erlaubt ein Magnetlager sehr hohe
Drehzahlen. Während bei einem Gleitlager mit wachsender
Drehzahl die Reibung zunimmt, ist diese Einschränkung für
ein Magnetlager nicht gegeben. Eine höhere Drehzahl des Drehanodentellers
ist aber wünschenswert, da hierdurch die Röntgenstrahlenleistung
grundsätzlich unter Einhaltung der Temperaturgrenze für
den Targetbereich weiter erhöht werden kann. Eine Erhöhung des
Durchmessers der Drehanode wird nicht notwendig. Während
jedoch für ein Gleitlager die entstehende Wärme über
Wärmeleitung abgeführt werden kann, ist dies für
ein Magnetlager nicht möglich, da die Welle berührungslos
rotiert. Zudem sind Magnetlager wärmeempfindlich. Auch
wärmeadaptierte Magnetkomponenten beginnen ihre Funktionalität
bei Temperaturen über 200°C zu verlieren, da die
Magnetisierung allmählich verschwindet. Insbesondere kann
für passive, d. h. permanent magnetisierte Komponenten
die Curie-Temperatur überschritten werden.
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Aus
diesem Grund sind verschiedentlich Hybridkonzepte vorgeschlagen
worden, wobei zur Lagerung der Welle der Drehanodeneinheit Gleit-
und Magnetlager kombiniert sind. So ist aus der
US 6,430,261 B1 eine Röntgeneinrichtung
mit einer Drehanodeneinheit bekannt, wobei die Welle über ein
Flüssigmetall-Gleitlager radial gelagert ist, und wobei
zur axialen Lagerung ein Magnetlager vorgesehen ist. Über
den Gleitfilm des hoch wärmeleitenden Flüssigmetalls
kann die Wärme des Drehanodentellers über die
Welle abgeführt werden. Nachteiligerweise erlaubt aber
das Hybridkonzept ebenfalls nur eine durch die Reibung des Gleitlagers
begrenzte weitere Erhöhung der Drehzahlen.
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Um
einer hitzebedingten Schädigung des Magnetlagers entgegenzuwirken,
ist es aus der
US 6 327
340 B1 bekannt, den Drehanodenteller beidseits über
eine jeweilige Welle in einem Magnetlager zu führen, wobei
die Wellen jeweils abschnittsweise in einem Flüssigmetall
geführt sind. Über das Flüssigmetall
wird jeweils ein thermischer Schluss der Welle mit dem Röhrengehäuse
hergestellt, wodurch die Wärmeabfuhr verbessert ist.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Röntgeneinrichtung mit einem Magnetlager anzugeben,
bei welcher eine hitzebedingte Schädigung des Magnetlagers
zum einen und eine unerwünschte Erhitzung des Drehanodentellers
zum anderen möglichst vermieden wird.
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Diese
Aufgabe wird für eine Röntgeneinrichtung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass der Drehanodenteller einen der Welle abgewandten axialen Fortsatz
umfasst, der zur Wärmeabfuhr in einen flüssigkeitsgefüllten
Aufnahmeraum des Röhrengehäuses taucht.
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Bisherige
Lösungen gehen davon aus, die Lagerseite der Drehanodeneinheit
zu kühlen oder dort eine Wärmeableitung vorzusehen.
Auf diese Weise soll insbesondere auch ein Magnetlager von einer
hohen Wärmebelastung verschont bleiben. Die Erfindung trennt
sich nun in überraschender Weise von diesem Konzept. Vielmehr
geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass eine unmittelbare
Wärmeableitung vom Drehanodenteller auch zu einer thermischen
Entlastung eines an der Welle angeordneten Magnetlagers führt.
Da die Wärme am Drehanodenteller abgeführt wird,
ist nicht nur der Drehanodenteller selbst sondern auch die Welle
und damit insbesondere das Magnetlager thermisch weniger belastet.
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Zur
unmittelbaren Wärmeabfuhr aus dem Drehanodenteller ist
dieser mit einem der Welle abgewandten axialen Fortsatz versehen,
der in einen flüssigkeitsgefüllten Aufnahmeraum
des Röhrengehäuses taucht.
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Mit
anderen Worten wird über den axialen Fortsatz des Drehanodentellers
eine thermische Kopplung mit dem Röhrengehäuse
hergestellt, so dass entstehende Wärme rasch vom Drehanodenteller
auf das kältere Röhrengehäuse übertragen
wird. Der thermische Schluss zwischen dem axialen Fortsatz bzw.
dem Drehanodenteller und dem Röhrengehäuse geschieht
hierbei über die Flüssigkeit des Aufnahmeraums.
Der gewählte Flüssigkeitsschluss lässt eine
relative Drehbewegung des Drehanodentellers gegenüber dem
Röhrengehäuse bei gleichbleibender thermischer
Ankopplung zu.
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Da
im Inneren des Röhrengehäuses Vakuum herrscht,
empfiehlt es sich, als Flüssigkeit für den Aufnahmeraum
ein Flüssigmetall zu wählen. Flüssigmetalle
haben einen niedrigen Dampfdruck und besitzen darüber hinaus
eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Ein geeignetes
Flüssigmetall ist beispielsweise Gallium oder eine entsprechende
Gallium-Legierung.
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Die
Anbindung des axialen Fortsatzes an das Röhrengehäuse
entspricht gewissermaßen einem Art Gleitlager, wie es zur
drehbaren Lagerung einer Drehanodeneinheit gegenüber dem
Röhrengehäuse bekanntermaßen eingesetzt
wird. Da vorliegend jedoch die Drehanodeneinheit über ihre
Welle bereits stabil in einem Magnetlager gelagert ist, braucht
die Aufnahme des axialen Fortsatzes in dem Aufnahmeraum nicht als
ein Gleitlager ausgebildet zu sein. Vielmehr kann das Spaltmaß zwischen
dem Aufnahmeraum und dem axialen Fortsatz deutlich größer
bemessen sein, als dies bei einer Ausbildung als Gleitlager technisch
erforderlich wäre. während bei einem Flüssigmetallgleitlager
Spaltmaße im Bereich von etwa 10 bis 20 μm erforderlich
sind, können vorliegend zur Aufnahme des axialen Fortsatzes
im Aufnahmeraum Spaltmaße von 100 bis 200 μm rea lisiert
sein. Bei einer solchen Auslegung gelten insbesondere die bei hohen
Drehzahlen für ein Flüssigkeits-Gleitlager geltenden
unerwünschten Reibverhältnisse nicht. Die erreichbaren
Drehzahlen sind somit nicht durch die Aufnahme des Fortsatzes im
Flüssigkeitsraum begrenzt.
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Der
axiale Fortsatz kann entweder einstückig mit dem Drehanodentellern
ausgebildet sein. Ebenso kann der axiale Fortsatz jedoch als ein
separates Teil ausgebildet sein, welches mit dem Drehanodenteller beispielsweise
mittels einer Verlötung oder einer Verschraubung verbunden
ist. Um eine rasche Wärmeabfuhr aus dem Drehanodenteller
auf das Röhrengehäuse zu erzielen, ist der axiale
Fortsatz vorzugsweise aus einem Molybdän, aus einer Molybdän-Legierung
oder aus einem Edelstahl gefertigt. Sowohl Molybdän als
auch Edelstahl weisen eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit
auf. Wird als Flüssigkeit in dem Aufnahmeraum ein Flüssigmetall
eingesetzt, so zeigt Molybdän hiergegenüber bereits
eine hohe Korrosionsresistenz. Wird Edelstahl verwendet, so muss
dieses aufgrund der korrosiven Eigenschaften des Flüssigmetalls
oberflächlich, beispielsweise mittels Molybdän,
beschichtet werden. Dies kann beispielsweise mittels CVD (Chemical
Vapor Deposition) vorgenommen werden.
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Der
axiale Fortsatz und der dazugehörige Aufnahmeraum im Röhrengehäuse
können konstruktiv in vielen Varianten ausgebildet sein,
solange die rotatorische Ankopplung gewährleistet und die
notwendige Abdichtung der Flüssigkeit gegenüber
dem Röhreninneren sichergestellt ist. Beispielsweise ist es
vorstellbar, den axialen Fortsatz als eine Zylinderwand eines Hohlzylinders
auszubilden, wobei die Zylinderwand in einem ringförmigen
Aufnahmeraum umläuft. Vorteilhafterweise ist der axiale
Fortsatz jedoch als ein massiver, zentraler Zapfen ausgebildet, der
in einen hohlzylindrischen Aufnahmeraum eintaucht. Durch die massive
Ausgestaltung wird der Wärmeleitwert erhöht. Zur
Abdichtung des Zapfens gegenüber dem Aufnahmeraum kann
eine konstruktiv vergleichsweise einfache ausgestaltete Labyrinthdichtung
vorgesehen sein. Gegebenenfalls können weitere Dichtlippen
vorgesehen werden, die durch ihre entsprechende Ausrichtung die
Flüssigkeit bzw. das Flüssigmetall zurück
in den Aufnahmeraum leiten. Gegebenenfalls kann eine Beschichtung
am Rand des Aufnahmeraums mit einer nicht benetzbaren Schicht z.
B. aus Al2O3 bereits
in Alleinstellung ein Austreten der Flüssigkeit, insbesondere
des Flüssigmetalls wirkungsvoll verhindern.
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Der
Aufnahmeraum selbst kann dem Röhrengehäuse direkt
eingeformt sein. Der Aufnahmeraum kann aber in einer Alternative
auch als eine Buchse in das Röhrengehäuse eingesetzt
sein. Letzteres bietet sich insbesondere an, um hinsichtlich des Materials
der Wandung des Aufnahmeraums flexibel auf die verwendete Flüssigkeit,
wie insbesondere auf Flüssigmetall zu reagieren. So kann
das Material der Buchse beispielsweise aus korrosionsbeständigem Molybdän
gefertigt sein. Alternativ ist die Buchse aus Edelstahl hergestellt,
wobei die Innenwandung entsprechend korrosionsbeständig
beschichtet ist. Sowohl über Molybdän als auch über
Edelstahl wird eine sehr gute thermische Ankopplung der Flüssigkeit
bzw. des Flüssigmetalls an das Röhrengehäuse erzielt.
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Um
die über den axialen Fortsatz vom Drehanodenteller auf
das Röhrengehäuse übertragene Wärme
rasch abzuführen, empfiehlt es sich, das Röhrengehäuse
im Bereich des Aufnahmeraums zu kühlen. Beispielsweise
kann dem Röhrengehäuse an entsprechender Stelle
ein Kühlkörper aufgelegt sein, der aktiv Wärme
entzieht. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das
Röhrengehäuse im Bereich des Aufnahmeraums eine
Kühlleitung auf oder ist an eine Kühlleitung gekoppelt. Über
das in den Kühlleitungen befindliche Kühlmittel
wird dann die vom Drehanodenteller auf das Röhrengehäuse übertragene
Wärme rasch abgeführt. Insbesondere kann das Kühlmittel
in einem Kreislauf zirkulieren, wobei entfernt vom Röhrengehäuse
die Wärme des abströmenden Kühlmittels
in einer Kältemaschine entzogen und das abgekühlte
Kühlmittel erneut dem Röhrengehäuse zugeführt
wird.
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Durch
die vorgenannten Maßnahmen gelingt es, den Drehanodenteller
durch unmittelbare Wärmeabfuhr während des Betriebs
der Röntgeneinrichtung auf einem gewünschten Temperaturniveau
zu halten. Es gelingt dies insbesondere, ohne dass – wie bislang üblich – die
Wärme über die Lagerung der Welle abgeführt
wird. Da die Wärme unmittelbar am Drehanodenteller auf
das Röhrengehäuse übertragen wird, ist
ein Magnetlager zur Lagerung der Welle weniger wärmebelastet.
Insofern ermöglicht die Erfindung den Einsatz eines Magnetlagers
zur berührungslosen Lagerung der Drehanodeneinheit. Hierdurch
können höhere Drehzahlen realisiert werden, so
dass die Strahlungsleistung des Elektronenstrahls in wünschenswerter
Weise erhöht werden kann, ohne dass die Temperaturgrenzen
für ein Magnetlager überschritten werden.
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In
einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Drehanodenteller über
ein Wärmeisolierelement mit der Welle verbunden. Durch diese
Maßnahme wird die Welle und damit das daran angebundene
Magnetlager zusätzlich thermisch vom Drehanodenteller entkoppelt.
Insofern wird Wärme nicht nur unmittelbar am Drehanodenteller
auf das Röhrengehäuse übertragen, sondern
es wird zusätzlich verhindert, dass Wärme vom
Drehanodenteller rasch auf die Welle abgeführt wird. Das
Magnetlager ist in dieser Hinsicht in gewisser Weise „doppelt” wärmegesichert.
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Das
Wärmeisolierelement besteht beispielsweise aus einem geeigneten
Material, welches bei vergleichsweise niedriger Wärmeleitfähigkeit
den notwendigen mechanischen Anforderungen entspricht. Unter den
Vakuumbedingungen im Inneren des Röhrengehäuses
eignet sich für ein Wärmeisolierelement beispielsweise
eine entsprechende Keramik. Diese kann beispielsweise durch Löten
oder durch Verschrauben mit dem Drehanodenteller verbunden sein.
Als Keramiken eignen sich beispielsweise Aluminium-, Silizium- oder
Zirkonoxide bzw. Mischoxide hiervon. Diese Keramiken weisen eine vergleichsweise
niedrige Wärmeleitfähigkeit auf.
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In
einer weiter bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Wärmeisolierelement
ein Wärmeisolierstück aus einer Keramik, welches
in axiale Richtung aus einer Anzahl von Schichten unterschiedlichen Materials
zusammengesetzt ist. Über den Aufbau als Schichtkörper
wird in axialer Richtung die Wärmeleitfähigkeit
weiter verschlechtert, da Wärme über mehrere Grenzflächen
hinweg übertragen werden muss. Die Wärmeübertragung
in axialer Richtung lässt sich für einen Schichtkörper
noch weiter verringern, wenn die einzelnen Schichten jeweils über
strukturierte Oberflächen aneinander grenzen. Durch eine
strukturierte Oberfläche wird gewissermaßen der
berührende Querschnitt an den Grenzflächen verringert,
so dass der Wärmeleitwert weiter abnimmt. Beispielsweise
können Nuten in die Grenzflächen eingebracht sein,
so dass die Grenzflächen nur über die erhabenen
Stege miteinander in direktem Kontakt stehen.
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Der
Wärmeleitwert kann weiter dadurch verringert werden, dass
das Wärmeisolierelement mit der Welle über einen
reduzierten Radialquerschnitt verbunden ist. Beispielsweise kann
der radiale Querschnitt ausgehend vom Drehanodenteller auf den Übergang
zur Welle verringert sein. Dafür bietet sich unter Beibehaltung
einer genügenden mechanischen Stabilität beispielsweise
die Ausgestaltung als ein Hohlrohr an. Bei einem Hohlrohr kann Wärme
nur über die Außenwandung abgeleitet werden.
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Der
Wärmeübergang vom Drehanodenteller auf die Welle
kann schließlich zusätzlich verringert werden,
indem die für die Wärme zurückzulegende Wärmestrecke
bewusst verlängert wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung
geschieht dies dadurch, dass die Wandung des Hohlrohrs in axialer
Richtung zur Verlängerung der Wärmestrecke aufgestaucht ist.
Mit anderen Worten sind die Wände des Hohlrohrs gegenüber
der axialen Richtung aus-, ab- und zurückgebogen.
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Während
des Betriebs der Röntgeneinrichtung wird sich der Drehanodenteller
noch immer auf Temperaturen oberhalb 1000°C erhitzen. Insofern kann
Wärme vom Drehanodenteller auf das Magnetlager noch über
vom Drehanodenteller ausgehende Wärmestrahlung übertragen
werden. Um das Magnetlager gegenüber Wärmestrahlung
abzuschirmen, ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung zwischen
dem Drehanodenteller und der Welle zur Abschattung ein Strahlungsschutzschirm
angeordnet. Um den Strahlungsschutzschirm von der Welle bzw. der
Drehanodeneinheit zu entkoppeln, ist dieser bevorzugt am Röhrengehäuse
befestigt. Zur Abschattung kann der Strahlungsschutzschirm zweckmäßigerweise
als ein Metallblech ausgefertigt sein.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung
näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 schematisch
eine Röntgeneinrichtung in einem Axialquerschnitt,
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2 in
einer Detailansicht eine Ausführungsvariante des Wärmeisolierelements,
und
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3 eine
weitere Ausführungsvariante des Wärmeisolierelements.
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1 zeigt
einen Ausschnitt einer Röntgeneinrichtung 1 in
einem Querschnitt. Die gezeigte Röntgeneinrichtung 1 umfasst
eine Röntgenröhre 2 sowie eine Drehanodeneinheit 3.
Zur Lagerung der Drehanodeneinheit 3 ist ein Magnetlager 4 vorgesehen.
Die Röntgenröhre 2 insgesamt ist in einem
Gehäuse 6 der Röntgeneinrichtung 1 untergebracht
Die Drehanodeneinheit 3 ist innerhalb des Röhrengehäuses 8 angeordnet.
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Das
Gehäuse 6 ist zur Strahlungsabschirmung als ein
mit Blei verkleidetes Aluminiumgehäuse ausgeführt.
Das Röhrengehäuse 8 der Röntgenröhre 2 ist
vorliegend aus Metall gefertigt. Innerhalb der Röntgenröhre 2 herrscht
Hochvakuum. Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ist eine
Kathode 10 vorgesehen, die vorliegend in das Röhrengehäuse 8 eingesetzt
ist. Während des Betriebs liegt die Kathode 10 gegenüber
der Drehanodeneinheit 3 auf einem Hochspannungspotential.
Die Drehanodeneinheit 3 sowie das Röhrengehäuse 8 liegen
auf Erdpotential. Zur Iso lierung der Hochspannung ist die Kathode 10 mit
einem Isolator 11 abgedeckt. In das Röhrengehäuse 8 ist
ein Fenster 12 eingesetzt, welches den Austritt der erzeugten
Röntgenstrahlen aus der Röntgenröhre 2 ermöglicht.
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Die
innerhalb des Röhrengehäuses 8 angeordnete
Drehanodeneinheit 3 umfasst einen Drehanodenteller 14 mit
einem Targetbereich 16. Der Drehanodenteller 14 ist
drehfest an eine Welle 18 gekoppelt. Die Welle 18 ist
mittels des Magnetlagers 4 berührungsfrei um eine
Drehachse 22 drehbar gelagert.
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Zum
Antrieb der Drehanodeneinheit 3 ist ein Abschnitt der Welle 18 als
Rotor 28 eines elektrischen Motors 24 ausgebildet.
Der elektrische Motor 24 umfasst hierzu eine außerhalb
des Röhrengehäuses 8 angeordnete Statorspule 26.
Während der Drehung des Drehanodentellers 14 wird
der Targetbereich 16 mit einem von der Kathode 10 ausgehenden Elektronenstrahl
bestrahlt, so dass als Bremsstrahlung ein Röntgenstrahl
emittiert wird. Die Kathode 10 ist hierzu auf den Targetbereich 16 entsprechend ausgerichtet.
Der von dem Targetbereich 16 emittierte Röntgenstrahl
verlässt das Röhrengehäuse 8 durch
das Fenster 12. Der Drehanodenteller 14 ist aus
Molybdän gefertigt. Der Targetbereich 16 ist mit Wolfram
temperaturgehärtet.
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Das
Magnetlager 4 umfasst zur Lagerung der Welle 18 sowohl
ein magnetisches Axiallager 34 als ein magnetisches Radiallager 36.
Beide magnetische Lager können sowohl passiv mittels Permanentmagnete
als auch aktiv regelbarer Elektromagnete realisiert sein. Insgesamt
wird die Drehanodeneinheit 3 über ihre Welle 18 durch
das Magnetlager 4 berührungslos sowohl in axialer
Richtung wie in radialer Richtung im Röhrengehäuse 8 gehalten.
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Das
Magnetlager 4 weist eine Anzahl von wellenseitigen Rotorkomponenten 38, 39 und
eine Anzahl von gehäuseseitigen Statorkomponenten 40, 41 auf.
Die Statorkomponenten 40, 41 sind außerhalb
des Röhrengehäuses 8 angeordnet. Die
der Welle zuge ordneten Rotorkomponenten 38, 39 sind aus
einem temperaturadaptierten, ferromagnetischen Material ausgebildet.
Die Statorkomponenten 40, 41 sind als regelbare
aktive Axial- bzw. Radialstabilisierungsmagnete ausgebildet.
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Um
eine Wärmeleitung vom Drehanodenteller 14 auf
die Welle 18 zu unterdrücken, ist diese vom Drehanodenteller 14 thermisch
entkoppelt. Dazu ist die Welle 18 über ein Wärmeisolierelement 49 mit dem
Drehanodenteller 14 verbunden. Zusätzlich ist in
das Röhrengehäuse 8 ein Strahlungsschutzschirm 52 zur
Abschattung der Welle 18 gegenüber einer vom Drehanodenteller 14 während
des Betriebs ausgehenden Wärmestrahlung vorgesehen. Das
Wärmeisolierelement 49 umfasst ein scheibenförmiges Wärmeisolierstück 50 aus
Keramik. Das Wärmeisolierstück 50 ist
mit dem Drehanodenteller 14 verbunden, z. B. hartverlötet
oder verschraubt. Das Wärmeisolierstück 50 ist über
ein Hohlrohr 64, und somit mit einem reduzierten Radialquerschnitt
mit der Welle 18 verbunden.
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Durch
die geringe Querschnittsfläche des Hohlrohrs 64 wird
ein geometrieabhängiger Anteil der Wärmeleitung
beeinflusst, so dass die Wärmeübertragung vom
Drehanodenteller 14 zu der Welle 18 zusätzlich
erschwert ist.
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Die
Wände des Hohlrohrs 64 sind in einer Ausgestaltungsvariante
in Axialrichtung aufgestaucht, um die zu überbückende
Wärmestrecke zu verlängern. Diese Ausgestaltung
ist aus der in 2 eingezeichneten Detailvariante
A ersichtlich. Zur weiteren Verringerung des Wärmeleitwerts
ist in einer anderen oder zusätzlichen Ausgestaltung das
Wärmeisolierstück 50 als ein Schichtkörper 65 ausgestaltet,
der in axialer Richtung aus einer Anzahl von Keramikschichten zusammengesetzt
ist. Dies ist in der Detailansicht B gemäß 3 dargestellt.
Durch das Aneinanderfügen mehrerer Schichten, insbesondere aus
verschiedenen Keramiken wird der Wärmeübergang
zusätzlich erschwert, da jeweils Grenzflächen überbrückt
werden müssen. Zu Verringerung der direkten Kontaktfläche
sind die Grenzflächen zusätzlich strukturiert.
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Insgesamt
wird durch das Wärmeisolierelement 49 eine effektive
thermische Entkopplung des Drehanodentellers 14 von der
Welle 18 erreicht. Eine Wärmeübertragung
vom Drehanodenteller 14 auf die Komponenten des Magnetlagers 4 ist
somit blockiert.
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Der
Strahlungsschutzschirm 52 ist in der Röntgenröhre 2 zwischen
dem Drehanodenteller 14 und der Welle 18 angeordnet.
Der Strahlungsschutzschirm 52 ist als ein Metallblech,
insbesondere als ein Blech aus Molybdän oder einer Molybdän-Legierung,
ausgeführt. Das Blech besitzt eine zentrale Ausnehmung 68,
durch welche das Wärmeisolierelement 49 hindurchgeführt
ist. Das Magnetlager 4 ist somit gegenüber dem
Drehanodenteller 14 abgeschattet. Durch die Ankopplung
des Strahlungsschutzschirmes 52 an das Röhrengehäuse 8 wird aufgenommene
Wärme auf das Röhrengehäuse 8 abgeleitet.
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Der
Drehanodenteller 14 ist über einen massiven, zentralen
Zapfen 70 aus Molybdän thermisch unmittelbar an
das Röhrengehäuse 8 gekoppelt. Hierzu
weist das Röhrengehäuse 8 einen Aufnahmeraum 74 auf,
welcher mit einem Flüssigmetall 76 befällt
ist. In das Flüssigmetall 76 ragt der Zapfen 70 hinein.
Auf diese Weise ist eine drehbare thermische Ankopplung zwischen
dem Drehanodenteller 14 und dem Röhrengehäuse 8 gebildet.
Der Aufnahmeraum 74 ist in einer oberen Wand 77 des
Röhrengehäuses 8 gebildet. Hierzu ist
eine Buchse 72 aus Molybdän in das Röhrengehäuse 8 eingesetzt.
Alternativ hierzu ist es möglich, den Behälter 72 einstückig
mit dem Röhrengehäuse 8 auszubilden.
Wie der Darstellung entnommen werden kann, ist die obere Wand 77 mit einer
vergleichsweise hohen axialen Wanddicke 78 ausgeführt
und zusätzlich mit einer Anzahl von Kühlkanälen 56 durchzogen.
Das Flüssigmetall 74 liegt als eine Gallium-Legierung
vor.
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Der
Zapfen 70 und der Aufnahmeraum 74 bilden kein
Gleitlager. Das Spaltmaß des vom Flüssigmetall 76 gefüllten
Spaltes zwi schen dem Zapfen 70 und der Innenwandung des
Aufnahmeraums 74 beträgt in etwa 100 μm.
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Um
ein Auslaufen des Flüssigmetalls 76 aus dem Aufnahmeraum 74 zu
verhindern, ist eine entsprechende Auslaufsperre 79 vorgesehen,
welche insbesondere durch einen mit einer „antibenetzenden” Schicht
versehenen Bereich realisiert ist.
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Durch
die thermische Ankopplung des Zapfens 70 an die obere Wand 77 des
Röhrengehäuses 8 wird die Wärme
vom erhitzten Drehanodenteller 14 unmittelbar auf das Röhrengehäuse 8 übertragen. Die
obere Wand 77 nimmt hierbei die Wärme vom Drehanodenteller 14 auf,
und gibt sie an das in den Kühlleitungen 56 geführte
Kühlmittel ab. Das Kühlmittel ist in den Kühlleitungen 56 nach
Art eines Kühlmittelkreislaufs geführt.
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Eine
Röntgeneinrichtung 1 der dargestellten Art bietet
den Vorteil einer berührungslosen Lagerung der Welle 18 durch
ein Magnetlager 4, wodurch sich hohe Drehzahlen erreichen
lassen. Mit einem Zapfen 70 taucht der Drehanodenteller 14 in
eine mit Flüssigmetall 76 gefüllten Aufnahmeraum 74 des Röhrengehäuses 8 ein. Über
den Zapfen 70 wird somit während des Betriebs
Wärme unmittelbar vom Drehanodenteller 14 auf
das Röhrengehäuse 8 abgeleitet. Zusätzlich
ist die Welle 18 und somit das Magnetlager 4 über
ein Wärmeisolierelement 49 thermisch vom Drehanodenteller 14 abgekoppelt.
Somit können hohe Drehzahlen der Drehanodeneinheit 3 erreicht
werden, so dass der Leistungseintrag über die Kathode 10 in
wünschenswerter Weise weiter erhöht werden kann,
ohne dass die Temperaturgrenzen des Drehanodentellers 14 zum
einen und des Magnetlagers 4 zum anderen erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6198803
B1 [0004]
- - US 6430261 B1 [0006]
- - US 6327340 B1 [0007]