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Die
Erfindung betrifft eine Röntgeneinrichtung mit einer zu
einem Targetbereich ausgerichteten Kathode, mit einem ein Magnetlager
umfassenden Lagersystem zur Lagerung einer Drehanodenscheibe und
mit einer umhausten Röntgenröhre, wobei innerhalb
des Röhrengehäuses ein um eine Drehachse drehbarer
Außenschaft, welcher drehfest mit der den Targetbereich
umfassenden Drehanodenscheibe verbunden ist, sowie ein feststehender
Innenschaft angeordnet sind, wobei der Innenschaft in einen Hohlraum
des Außenschafts aufgenommen ist.
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Eine
derartige Röntgeneinrichtung ist beispielsweise aus der
US 6 430 261 B1 bekannt,
wobei das Magnetlager insbesondere als ein axiales Magnetlager ausgeführt
ist. Als eine zusätzliche Maßnahme zur Aufnahme
axialer Kräfte schlägt die
US 6 430 261 B1 die Realisierung
eines 1-Punkt Kugellagers vor, welches im Wesentlichen durch die
Anordnung einer einzelnen Kugel an einer Stirnfläche eines
zylindrischen Lagerelements ausgebildet ist.
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Eine
Röntgeneinrichtung der eingangs genannten Art, welche mitunter
auch als eine Drehanoden-Röntgeneinrichtung bezeichnet
wird, findet beispielsweise bei Computertomographen Anwendung.
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Die
Drehanodenscheibe ist drehfest mit dem drehbaren Außenschaft
verbunden. In der Regel wird der Außenschaft angetrieben,
wozu ein geeigneter Antrieb beispielsweise in Form eines elektrischen Motors
vorgesehen ist. Insbesondere kann der Außenschaft als ein
Rotor des Motors ausgeführt sein. Der Außenschaft
ist insbesondere auf dem feststehenden Innenschaft drehbar geführt.
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Bei
der Drehanoden-Röntgeneinrichtung vorbeschriebener Art
ist die Drehanodenscheibe samt dem Targetbereich und dem Au ßen-
und Innenschaft innerhalb eines Vakuumkolbens und damit innerhalb
des Röhrengehäuses der Röntgenröhre
angeordnet. Die Kathode ist beispielsweise in das Röhrengehäuses
eingesetzt und auf den Targetbereich der Drehanodenscheibe ausgerichtet.
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Das
Röhrengehäuse der Röntgenröhre
kann beispielsweise aus einem Glas oder aus einem geeigneten Metall
gefertigt sein. Innerhalb der Röntgenröhre herrscht
ein Hochvakuum. Die Röntgenröhre selbst ist in
einem Gehäuse der Röntgeneinrichtung angeordnet,
wobei das entsprechende Gehäuse strahlenschutzverkleidet
ist.
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Im
Betrieb der Röntgeneinrichtung wird die Drehanodenscheibe
zu einer Drehbewegung angetrieben, wobei sehr hohe Umdrehungszahlen
von mehreren tausend Umdrehungen pro Minute erreicht werden. Der
Targetbereich der Drehanodenscheibe wird hierbei mit einem von der
Kathode erzeugten Elektronenstrahl bestrahlt, so dass ein Röntgenstrahl emittiert
wird.
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Eine
Drehanoden-Röntgeneinrichtung erfordert ein Lagersystem,
um im Betrieb ein axiales und ein radiales Abstützen des
Drehsystems aus Außenschaft und Drehanodenscheibe innerhalb
des Röhrengehäuses zu gewährleisten.
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Beispielsweise
wird ein entsprechendes Lagersystem unter Verwendung eines Kugellagers
realisiert. Als problematisch erweist sich hierbei jedoch die Wahl
eines geeigneten Schmiermittels, da herkömmliche Schmiermittel
nicht für eine Verwendung im Hochvakuum geeignet sind.
Deswegen wird häufig mit einer weichen Festmetallbeschichtung
geschmiert. Ein derartiges Schmiermittel dämpft jedoch Laufgeräusche
und Vibrationen der Kugellager nicht ausreichend, so dass insgesamt
ein unerwünschter Geräuschpegel im Betrieb der
Röntgeneinrichtung zu erwarten ist. Gleitlager wiederum
führen zu erheblichen Reibverlusten. Magnetlager lassen
sich nur schlecht kühlen.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Röntgeneinrichtung mit einem alternativen Lagersystem
anzugeben.
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Die
Aufgabe wird für eine Röntgeneinrichtung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass das Lagersystem ein Axialgleitlager zumindest als axiales Auffanglager
für das Magnetlager umfasst, wobei das Axialgleitlager
den Außenschaft in axialer Richtung gleitend gegen den
Innenschaft abstützt.
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Die
Erfindung geht von den allgemein bekannten Vorteilen einer Lagerung
der Drehanodenscheibe mittels eines Magnetlagers aus. Ein Magnetlager
erlaubt eine berührungslose Lagerung der Drehanodenscheibe,
beziehungsweise des Außenschafts, in dem Röhrengehäuse
und läuft dadurch nahezu geräuschlos und ohne
Verlustreibung. Durch ein derartiges Magnetlager kann der Außenschaft
mit der daran befestigten Drehanodenscheibe gewissermaßen „schwebend” in
dem Röhrengehäuse geführt werden.
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Die
Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, dass sich
als ein Grundproblem bei der magnetischen Lagerung der Drehanodenscheibe
ein hoher Bauraumbedarf für die Realisierung eines magnetischen
Axiallagers erwiesen hat. Heutige Entwicklungen gehen deswegen in
Richtung eines bauraumreduzierten magnetischen Axiallagers.
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Dabei
realisiert die Erfindung, dass jede diesbezügliche Entwicklung
stets auch Notlaufeigenschaften des Lagersystems im Fall eines Funktionsausfalls
oder Abschaltens des Magnetlagers gewährleisten muss.
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Die
Erfindung erkennt die überraschend einfache Möglichkeit,
mittels eines Axialgleitlagers Notlaufeigenschaften des Lagersystems
zu gewährleisten. Ein Axialgleitlager erzeugt darüber
hinaus im Gegensatz zu einem entsprechenden Kugellager im Wesentlichen
kein Laufgeräusch und nur wenig Vibration, so dass ein
nahezu geräuschloser Betrieb der Röntgeneinrichtung ermöglicht
wird. Zudem lässt sich durch ein Axialgleitlager eine vergleichsweise hohe
Tragfähigkeit realisieren. Außerdem ermöglicht ein
Axialgleitlager eine Stromübertragung und eine Kühlung
der angekoppelten Drehanode.
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Mittels
des Axialgleitlagers wird der Außenschaft in axialer Richtung
gegen den Innenschaft abgestützt. Zur Aufnahme axialer
Kräfte ist lediglich eine geeignet orientierte Gleitlagerfläche
zwischen dem Innen- und dem Außenschaft vorzusehen. Beispielsweise
können der Innenschaft und der Außenschaft radial
ineinander gefügt sein. Alternativ ist auch möglich,
entsprechende Lagerelemente, wie beispielsweise Lagerringe, an dem
Außenschaft und/oder dem Innenschaft anzubringen.
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Das
Axialgleitlager ist wenigstens als ein axiales Auffanglager auszugestalten,
welches Notlaufeigenschaften des Lagersystems gewährleistet.
Das heißt, dass nach einem Ausfall oder Abschalten des Magnetlagers
noch über eine gewisse Zeit eine Lagerung des Systems,
gebildet aus Außenschaft und Drehanodenscheibe, aufrecht
erhalten wird. In diesem Fall ist das Magnetlager insbesondere auch
als ein Axiallager ausgebildet.
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Überraschend
hat es sich auch gezeigt, die axiale Lagerung allein durch das Axialgleitlager
zu realisieren. In diesem Falle braucht das Magnetlager vorteilhafterweise
nur zu einer radialen Lagerung ausgebildet werden. Eine bauraumaufwendige
Realisierung eines magnetischen Axiallagers kann entfallen.
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Vorteilhafterweise
ist der Innenschaft mit einer umlaufenden Rippe in einer Ringnut
des Außenschafts geführt. In dieser Ausgestaltungsvariante wird
auf einfache Weise ein Axialgleitlager realisiert, welches sich
auch zur Aufnahme einer hohen axialen Traglast eignet. Hierdurch
wird es somit ermöglicht, das Axialgleitlager nicht nur
als ein Auffanglager vorzusehen, sondern es mit der Funktionalität
eines axialen Traglagers auszustatten. Insgesamt kann in dieser
Ausgestaltungsvariante auf konstruktiv einfache Weise eine zuverlässige
axiale Positionierung des Außenschafts gewährleistet werden.
Insbesondere kann eine zusätzliche axiale Lagerung mittels
eines magnetischen Axiallagers entfallen.
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Vorzugsweise
ist die umlaufende Rippe zur Ringnut des Außenschafts über
einen schmiermittelbefüllten Axialspalt beabstandet. Der
Axialspalt ist vorzugsweise vollständig mit einem Schmiermittel ausgefüllt.
Hierdurch ist insbesondere ein hydrodynamisches Gleitlager realisiert,
wobei der Außenschaft im Wesentlichen ohne direkten Kontakt
zum Innenschaft auf diesem positioniert ist. Hierdurch können
Reibungsverluste des Axialgleitlagers effektiv verringert werden.
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Für
die Ausgestaltung des Axialgleitlagers als ein Traglager ist es
zweckmäßig, das Spaltmaß des Axialspalts
in Abhängigkeit von einer betriebsabhängig maximalen
Axiallast des Lagersystems zu wählen. Für eine
Röntgeneinrichtung hat sich zur Realisierung eines axialen
Traglagers durch das Axialgleitlager ein axiales Spaltmaß im
Bereich von 5–30 μm als zweckmäßig
erwiesen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Magnetlager
als ein magnetisches Radiallager ausgeführt. Durch die
Ausgestaltung des Magnetlagers als ein reines Radiallager ist es
möglich, eine erhebliche Bauraumreduzierung des Lagersystems
zu erreichen. Mit anderen Worten wird ein Hybridlagersystem für
die Drehanodenscheibe geschaffen, wobei zur Axiallagerung und axialen
Fixierung ein Gleitlager und zur Radiallagerung ein Magnetlager
vorgesehen ist.
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Durch
das magnetische Radiallager ist das System, gebildet aus Drehanodenscheibe
und Außenschaft, um seine Massenträgheitsachse
gelagert. Insofern wirkt das magnetische Radiallager gewissermaßen „selbstauswuchtend”.
Der Begriff Auswuchten bezeichnet das Verringern oder Beseitigen einer
Unwucht, wobei man von einer Unwucht bei einem rotierenden Körper
spricht, dessen Masse zur Drehachse nicht rotationssymmetrisch verteilt
ist.
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Derartige
Unwuchten treten beispielsweise infolge einer temperaturbedingten „Deformation” der Drehanodenscheibe
auf. Eine temperaturbedingte Deformation tritt insbesondere in Form
eines Verziehens auf und ist hauptsächlich eine Folge der
erheblichen Temperaturschwankungen, denen die Drehanodenscheibe
ausgesetzt ist. Durch den Beschuss mit dem Elektronenstrahl erreicht
die Drehanodenscheibe Temperaturen bis zu etwa 1200°C.
Die Temperaturen der Brennbahn als solcher übersteigen diese
noch und können bis 2000°C erreichen. Bei einem
Betriebsstop der Röntgeneinrichtung fallen diese Temperaturwerte
rasch ab, was letztlich zu einem Verziehen der Drehanodenscheibe
führen kann.
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Die
Realisierung eines magnetischen Radiallagers an sich ist bekannt.
Beispielhaft sei hier die Realisierung durch eine Wechselpol-Anordnung
mittels einer Anzahl von Magnetringen genannt. Eine mögliche
Wechselpol-Anordnung sieht beispielsweise am Stator und am Rotor
eine axiale Abfolge von gegensinnig magnetisierten Magnetringen
vor, wobei sich am Stator und am Rotor jeweils ein Paar gleichsinnig
magnetisierten Magnetringen gegenüber stehen. Insgesamt
kann durch eine derartige Wechselpol-Anordnung eine stabile Führung
der Rotor-Komponente in radialer Richtung erreicht werden.
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In
dem vorliegenden Fall einer Röntgeneinrichtung sind zur
Realisierung des magnetischen Radiallagers zumindest ein erstes
und ein zweites Ringmagnetmittel ausgebildet, wobei das erste Ringmagnetmittel
dem drehbaren Außenschaft zugeordnet und das zweite Ringmagnetmittel
strukturfest als ein Stator ausgeführt ist.
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Prinzipiell
ist es möglich, das zweite Ringmagnetmittel innerhalb des
Röhrengehäuses anzuordnen. Jedoch aus Gründen,
einer konkreten Dimensionierung oder der Verlegung etwaiger Zuleitungen empfiehlt
es sich, das zweite Ringmagnetmittel außerhalb der umhausten
Röntgenröhre anzuordnen. Das zweite Mittel ist
hierzu beispielsweise direkt an dem Röhrengehäuse
befestigt, oder es ist z. B. an einer entsprechenden Haltevor richtung
nahe dem Röhrengehäuse angebracht. Die Anordnung
des zweiten Mittels außerhalb der umhausten Röntgenröhre
ermöglicht weiterhin einen einfachen Austausch.
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In
einer weiter vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist das zweite
Ringmagnetmittel als ein entsprechend ausgebildeter Elektromagnet
geeigneter Wicklung ausgeführt.
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Durch
die Anordnung des ersten Ringmagnetmittels innerhalb des Röhrengehäuses
ist diese mitunter hohen Temperaturen von einigen 100°C, welche
im Bereich des Außenschafts auftreten, ausgesetzt. Aus
diesem Grunde besteht die Gefahr, dass das erste Mittel infolge
einer Überschreitung der Curie-Temperatur eine Demagnetisierung
erfährt. Wegen der Anordnung innerhalb des Röhrengehäuses empfiehlt
es sich aber dennoch, einen Permanentmagneten einzusetzen. Generell
bietet sich hier die Verwendung eines ferromagnetischen Materials
an, welches eine vergleichsweise hohe Curie-Temperatur besitzt.
Als ein entsprechendes ferromagnetisches Material ist hier Eisen
zu nennen, welches eine Curie-Temperatur von fast 800°C
besitzt. Das erste Ringmagnetmittel kann beispielsweise als ein
separater Eisenring gefertigt und an dem Außenschaft befestigt
sein. Zweckmäßigerweise ist das erste Ringmagnetmittel
als ein magnetisierter Bereich des Außenschafts gegeben,
der aus dem entsprechenden ferromagnetischen Material gefertigt
ist.
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In
einer weiter bevorzugten Ausgestaltungvariante ist zur Gewährleistung
von Notlaufeigenschaften beim Ausfall des magnetischen Radiallagers
der Innenschaft in dem Außenschaft unter Ausbildung eines
Radialgleitlager gleitend geführt, wobei der Innenschaft
gegen den Außenschaft über einen schmiermittelbefüllten
Radialspalt beabstandet ist. Der Radialspalt ist vorzugsweise vollständig
mit dem Schmiermittel ausgefüllt.
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Das
Radialgleitlager ist dabei mit einem relativ großen radialen
Spaltmaß ausgebildet. Dadurch werden Notlaufeigenschaften
des Lagersystems beim Ausfall des magnetischen Radiallagers gewährleistet.
Zugleich kann über das große Spaltmaß bzw. über
das darin geführte Schmiermittel hervorragend Wärme
transportiert werden. Im Vergleich zu einem tragenden Radialgleitlager,
bei welchem sich ein entsprechendes Spaltmaß von 5 bis
30 μm anböte, ist in dem nichttragenden Radialgleitlager
ein radiales Spaltmaß zwischen 30 μm und 1 mm
realisiert. Durch das vergleichsweise große Spaltmaß wird
eine volumenmäßig große Schmiermittelbefüllung
des Radialspaltes erreicht. Hierdurch wird die Reibung gegenüber
einem Gleitlager mit geringem Spaltmaß deutlich reduziert.
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Vorzugsweise
ist das Schmiermittel als ein Flüssigmetall-Schmiermittel
gegeben. Unter einem Flüssigmetall-Schmiermittel wird hier
ein Metallschmiermittel niedrigen Schmelzpunkts verstanden, welches
zumindest während des Betriebs der Röntgeneinrichtung
flüssig ist. Hierbei hat sich insbesondere die Verwendung
eines Metallschmiermittels auf Basis der Metalle Gallium, Indium
oder Zinn, bzw. einer Legierung eines dieser Metalle als günstig
erwiesen. Ein Flüssigmetall-Schmiermittel besitzt hervorragende
Benetzungseigenschaften, so dass insbesondere eine vollständige
Benetzung der Gleitlagerflächen der entsprechenden Gleitlager
und entsprechend auch eine vollständige Befüllung
der entsprechenden Spalte gewährleistet werden kann.
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Ein
derartiges Flüssigmetall-Schmiermittel besitzt häufig
korrosive Eigenschaften, d. h. ein Kontakt mit dem Flüssigmetall-Schmiermittel
führt bei vielen Werkstoffen zu deren chemischer Zersetzung. Um
Korrosionserscheinungen an den entsprechenden Gleitlagerflächen
entgegenzuwirken, sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung die
Gleitlagerflächen des Axialgleitlagers und des Radialgleitlagers
aus einem gegenüber dem Flüssigmetall-Schiermittel
beständigen Material gefertigt. Als ein entsprechend beständiges
Material sind z. B. Molybdän oder eine Molybdän-Legierung
sowie ein korrosionsbeständiger Stahl zu nennen. In einer
geeigneten Molybdän-Legierung ist Molybdän mit
Titan und Zirkon legiert. Um einen Korrosionsschutz für
die Gleitlagerflächen zur Verfügung zu stellen,
genügt es häufig, die entsprechenden Gleitlagerflächen
mit dem gewählten beständigen Material zu beschichten.
Natürlich ist es beispielsweise auch möglich,
den Außenschaft und den Innenschaft vollständig
aus dem entsprechenden Material, z. B. aus einem korrosionsbeständigen
Stahl, zu fertigen.
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Wie
vorerwähnt, wird die Drehanodenscheibe im Betrieb der Röntgeneinrichtung
auf mitunter sehr hohe Temperaturen erhitzt. Die Drehanodenscheibe
selber erreicht hierbei Temperaturen von um die 1200°C,
das die Drehanodenscheibe tragende Schaftende des Außenschafts
erreicht häufig Temperaturen von über 300°C.
Durch die beträchtliche Wärmeentwicklung im Betrieb
der Röntgeneinrichtung kann die Funktionsfähigkeit
der Röntgenröhre erheblich beeinträchtigt
werden.
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Um
die Funktionsfähigkeit der Röntgenröhre auf
Dauer zu erhalten, ist vorteilhafterweise eine Kühlvorrichtung
vorgesehen, welche insbesondere über ein Mittel zur Wärmeableitung
thermisch mit der Drehanodenscheibe verbunden ist. Durch die Kühlvorrichtung,
welche beispielsweise einen entsprechenden Kühlmittelkreislauf
umfasst, kann eine Entwärmung der heißen Drehanodenscheibe
gewährleistet werden. Vorzugsweise umfasst die Kühlvorrichtung
ein mit einem Kühlmittel befüllbares Kühlmittelreservoir,
welches innerhalb des Innenschafts ausgebildet ist. Hierzu ist in
den Innenschaft beispielsweise eine zentrale Ausnehmung, z. B. in
Form einer Bohrung, eingebracht. Das Kühlmittel wird vorteilhafterweise
mittels einer entsprechenden Pumpe nach Art eines Kühlmittel-Kreislaufs
in das Kühlmittelreservoir hinein und wieder aus dem Kühlmittelreservoir heraus
transportiert. Durch die Ausnehmung des Innenschafts kann Wärme
nahe an der Drehanodenscheibe aufgenommen und abtransportiert werden. Bei
Ausgestaltung eines Notlaufradiallagers wird zusätzlich
Wärme vom Innenschaft auf den Außenschaft mittels
des im Radialspalt befindlichen Schmiermittels übertragen
und somit abgeführt.
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Zweckmäßigerweise
ist das Kühlmittel als ein Hochspannungs-Isolieröl
gegeben. Wie vorerwähnt, ist die Röntgenröhre
insbesondere in einem Gehäuse der Röntgeneinrichtung
angeordnet.
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Das
entsprechende Gehäuse ist in der Regel mit einem elektrisch
isolierenden Öl, welches hier als Hochspannungs-Isolieröl
bezeichnet ist, gefüllt. In dieser Ausführungsform
wird das in dem Gehäuse ohnehin befindliche Öl
als Kühlmittel verwendet. Hierzu wird das Hochspannungs-Isolieröl,
beispielsweise über einen entsprechenden Kanal, insbesondere
unter Zuhilfenahme einer Pumpe, in das Kühlmittelreservoir
gefördert. Hierdurch kann unter geringem Aufwand ein effektiver
Kühlmittelkreislauf erzeugt werden.
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Abweichend
hiervon bietet sich insbesondere bei einer einpolig ausgeführten
Röntgenröhre die Verwendung von Wasser als Kühlmittel
an. Bei einer einpoligen Ausführung der Röntgenröhre
liegt insbesondere nur die Kathode auf Hochspannung. Der Targetbereich
der Drehanodenscheibe, die Drehanodenscheibe sowie der Außenschaft
und der Innenschaft liegen auf Erdpotential. Somit ist es möglich, das
Kühlmittelreservoir innerhalb des Innenschafts mit Wasser
zu befüllen.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung
näher erläutert. Dabei zeigt die einzige 1 schematisch
eine Röntgeneinrichtung in einem Axialschnitt.
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1 zeigt
eine Röntgeneinrichtung 2 in einem Axialschnitt
Die gezeigte Röntgeneinrichtung 2 umfasst eine
umhauste Röntgenröhre 4, welche in einem
lediglich angedeuteten Gehäuse 6 der Röntgeneinrichtung 2 untergebracht
ist. Das Gehäuse 6 der Röntgeneinrichtung 2 ist
hier als ein mit Blei verkleidetes Aluminiumgehäuse ausgeführt
und mit einem Hochspannungs-Isolieröl befüllt.
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Das
Röhrengehäuse 8 der Röntgenröhre 4 ist
aus einem Glas gefertigt. Innerhalb der Röntgenröhre 4 herrscht
ein Hochvakuum mit einem Druck von 10–5 bis
10–9 Torr. 1 Torr entspricht ungefähr
1 mmHg. In das Röhrengehäuse 8 der Röntgenröhre 4 sind
eine Kathode 10 und ein Fenster 12 für
den Austritt von Röntgenstrahlen aus der Röntgenröhre 4 eingesetzt.
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Innerhalb
des Röhrengehäuses 8 befindet sich eine
Drehanodenscheibe 14 mit einem Targetbereich 16.
Die Drehanodenscheibe 14 wird vom Schaftende 17 eines
Außenschafts 18 getragen und ist mit diesem drehfest
gekoppelt. Der Außenschaft 18 ist um eine Drehachse 20 drehbar
auf einem feststehenden Innenschaft 22 gelagert. Sowohl
der Innenschaft 22 als auch der Außenschaft 18 erstrecken sich
im Wesentlichen in axialer Richtung 23 und besitzen jeweils
eine im Wesentlichen zylindrische Grundform.
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Wie
der Darstellung weiter entnommen werden kann, ist der Innenschaft 22 in
einem entsprechenden Hohlraum 26 des Außenschafts 18 aufgenommen.
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Im
Betrieb der Röntgeneinrichtung 2 rotiert der Außenschaft 18 mitunter
mit sehr hohen Umdrehungszahlen von mehreren tausend Umdrehungen pro
Minute. Der Außenschaft 18 wird von einem hier nicht
dargestellten Motor zu einer Rotation angetrieben, wozu der Außenschaft 18 selbst
als ein Rotor des Motors ausgeführt sein kann.
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Durch
die drehfeste Ankopplung der Drehanodenscheibe 14 an den
Außenschaft 18 wird die Drehanodenscheibe 14 von
dem Außenschaft 18 zu einer Drehung angetrieben.
Der Targetbereich 16 der Drehanodenscheibe 14 wird
mit einem von der Kathode 10 ausgehenden Elektronenstrahl
bestrahlt, so dass von dem Targetbereich 16 ein Röntgenstrahl emittiert
wird. Die Kathode 10 ist hierzu entsprechend auf den Targetbereich 16,
welcher als eine Anode fungiert, ausgerichtet. Der von dem Targetbereich 16 emittierte
Röntgenstrahl verlässt die Röntgenröhre 4 durch
das Fenster 12.
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Für
eine Lagerung des Außenschafts 18 und der mit
diesem verbundenen Drehanodenscheibe 14 besitzt die Röntgeneinrichtung 2 ein
Hybrid-Lagersystem 30.
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Das
Lagersystem 30 umfasst dabei ein magnetisches Radiallager 32,
welches im Folgenden kurz einfach mit „Magnetlager” an gesprochen
wird. Weiter umfasst das Lagersystem 30 ein Axialgleitlager 34 sowie
ein Radialgleitlager 36.
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Das
Magnetlager 32 umfasst ein erstes Ringmagnetmittel 40 und
ein dazu koaxial angeordnetes zweites, äußeres
Ringmagnetmittel 42. Das erste Ringmagnetmittel 40 ist
als ein in Umfangsrichtung 45 umlaufender Bereich 46 des
zylindrischen Außenschafts 18 gegeben, welcher
aus Eisen gefertigt ist. Durch die Zuordnung des ersten Mittels 40 zu
dem drehbaren Außenschaft 18 wirkt das erste Mittel 40 gewissermaßen
als eine „Rotorkomponente” des Magnetlagers 32.
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Das
zweite Ringmagnetmittel 42 ist außerhalb des Röhrengehäuses 8 angeordnet
und gegenüber dem Gehäuse 6 der Röntgeneinrichtung
feststehend. Es fungiert als eine „Statorkomponente” des Magnetlagers 32.
Das zweite Ringmagnetmittel 42 ist als ein geeignet ausgebildeter
Elektromagnet 47 mit entsprechend gestalteter Bewicklung
ausgeführt. Hierdurch werden Magnetfelder erzeugt, welche
im Zusammenwirken mit dem ferromagnetischen ersten Ringmagnetmittel 40 eine
radiale Stabilisierung des Außenschafts 18 bewirken.
Das System, gebildet aus Außenschaft 18 und Drehanodenscheibe 14, wird
gewissermaßen „schwebend” in einer definierten
radialen Position gehalten. Hierzu kann es beispielsweise vorgesehen
sein, dass der Elektromagnet 47 mit einem elektronischen
Regelgerät in Verbindung steht.
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Insgesamt
wird durch das radiale Magnetlager 32 eine im Wesentlichen
berührungslose radiale Lagerung des Systems, gebildet aus
Außenschaft 18 und der daran befestigten Drehanodenscheibe 14, um
eine gemeinsame System-Massenträgheitsachse realisiert.
Durch die Lagerung um die System-Massenträgheitsachse wirkt
das magnetische Radiallager insbesondere „selbstauswuchtend”.
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Die
radiale Lagerung des Innenschafts 22 mit der daran befestigten
Drehanodenscheibe 14 wird hauptsächlich durch
das radiale Magnetlager 32 realisiert.
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Eine
axiale Lagerung des Außenschafts 18 wird in dieser
Ausgestaltungsvariante allein durch das Axialgleitlager 34 realisiert.
Das Axialgleitlager 34 ist hierzu als ein Traglager ausgeführt,
d. h. es ist zur Aufnahme von hohen axialen Lagerlasten ausgestaltet.
Zusätzlich besitzt es natürlich auch die Funktionalität
eines Auffanglagers, d. h. es gewährleistet Notlaufeigenschaften
des Lagersystems 30 im Falle eines Ausfalls oder Abschaltens
des Magnetlagers 32.
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Zur
Realisierung des Axialgleitlagers 34 ist der Innenschaft 22 mit
einer in Umfangsrichtung 45 umlaufenden Rippe 50 ausgeführt.
Der Außenschaft 18 besitzt eine entsprechende
Ringnut 52, in welcher die Rippe 50 des Innenschafts 22 geführt
ist. Die umlaufende Rippe 50 ist gegen die Ringnut 52 des
Außenschafts 18 über einen schmiermittelbefüllten
Axialspalt 54 in axialer Richtung 23 beabstandet.
Um eine hohe Tragfähigkeit des Axialgleitlagers 34 zu gewährleisten,
besitzt der Axialspalt 54 ein vergleichsweise geringes
axiales Spaltmaß 56 von lediglich 5 bis 30 μm.
Das axiale Spaltmaß 56 gibt hier einen durch den
Axialspalt 54 realisierten axialen Abstand zwischen der
Rippe 50 und der Ringnut 52 an.
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Der
Axialspalt 54 ist vollständig mit einem Schmiermittel
ausgefüllt. Das entsprechende Schmiermittel ist als ein
Flüssigmetall-Schmiermittel gegeben. Durch die Schmiermittelbefüllung
des Axialspaltes 54 wird der Außenschaft 18 über
seine Ringnut 52 im Wesentlichen ohne direkten Kontakt zu
der umlaufenden Rippe 50 des Innenschaft 22 auf diesem
positioniert. Hierdurch können Reibungsverluste des Axialgleitlagers 34 effektiv
verringert werden.
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Weiter
umfasst das Lagersystem zusätzlich zu dem radialen Magnetlager 32 noch
ein Radialgleitlager 36. Zur Realisierung des Radialgleitlagers 36 ist der
Innenschaft 22 in dem Außenschaft 18 gleitend geführt,
wobei der Innenschaft 22 gegen den Außenschaft 18 über
einen schmiermittelbefüllten Radialspalt 66 in
radialer Richtung 43 beabstandet ist.
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Das
Radialgleitlager 36 ist vorwiegend zur Gewährleistung
von Notlaufeigenschaften des Lagersystems 30 beim Ausfall
des Magnetlagers 32 vorgesehen. D. h. im „normalen” Betrieb
des magnetischen Radiallagers 32 wird ein radiales Abstützen des
Außenschafts 18 allein durch das entsprechende Magnetlager 32 realisiert.
Das Radialgleitlager 36 ist dementsprechend als ein nichttragendes
Gleitlager ausgeführt. Nichttragend bedeutet, dass es nicht
zur Aufnahme großer Radiallasten vorgesehen ist. Durch die
nichttragende Ausgestaltung des Radialgleitlagers 36 ist
es möglich, den Radialspalt 66 mit einem vergleichsweise
großen radialen Spaltmaß 70 auszugestalten.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt das radiale Spaltmaß 70 des
Radialspaltes 66 im Bereich von 30 μm bis 1 mm.
Zum Vergleich: Bei einem tragenden Radialgleitlager läge
ein zweckmäßiges radiales Spaltmaß bei
ca. 5 bis 30 μm.
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Aufgrund
des großen radialen Spaltmaßes 70 des
Radialspaltes 66 weist die entsprechende Schmiermittelbefüllung
ein vergleichsweise großes Volumen auf. Durch das große
Schmiermittelvolumen, welches in dem Radialspalt 66 aufgenommen ist,
wird die Reibung deutlich reduziert.
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Sowohl
der Axialspalt 54 des Axialgleitlagers 34 als
auch der Radialspalt 66 des Radialgleitlagers 36 sind
vollständig mit dem Flüssigmetall-Schmiermittel
ausgefüllt.
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Ein
derartiges Flüssigmetall-Schmiermittel, welches beispielsweise
als eine Gallium-Legierung ausgeführt ist, wirkt korrosiv,
d. h. ein Kontakt mit dem Flüssigmetall-Schmiermittel führt
bei vielen Werkstoffen zu deren chemischer Zersetzung. Durch die
Befüllung des Axialspalts 54 und des Radialspalts 66 mit
dem Flüssigmetall-Schmiermittel sind die Gleitlagerflächen 72 des
Axialgleitlagers 34 und des Radialgleitlagers 36 beständig
mit dem Flüssigmetall-Schmiermittel benetzt.
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Um
Korrosionserscheinungen der entsprechenden Gleitlagerflächen 72 zu
verhindern, ist die Hohlraumwandung 73 des Hohlraums 26 des
Außenschafts 18 sowie die Außenwandung 74 des
Innenschafts 22 aus einem Material gefertigt, welches gegenüber
dem Flüssigmetall-Schmiermittel beständig ist.
Im vorliegenden Fall ist das entsprechende Material als eine Legierung
von Molybdän mit Titan und Zirkon gegeben. In einer alternativen
Ausgestaltungsvariante sind der Außenschaft 18 und
der Innenschaft 22 vollständig aus der genannten
Legierung oder beispielsweise einem korrosionsbeständigen
Stahl gefertigt.
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Wie
bereits erwähnt, wird die Drehanodenscheibe 14 im
Betrieb der Röntgeneinrichtung 2 auf mitunter
sehr hohe Temperaturen erhitzt. Die Drehanodenscheibe 14 erreicht
hierbei Temperaturen von um die 1200°C. Das die Drehanodenscheibe 14 tragende
Schaftende 17 des Außenschafts 18 erreicht oftmals
Temperaturen von über 300°C. Durch die beträchtliche
Wärmeentwicklung im Betrieb Röntgeneinrichtung 2 kann
die Funktionsfähigkeit der Röntgenröhre 4 erheblich
beeinträchtigt werden.
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Um
die Funktionsfähigkeit der Röntgenröhre 4 auf
Dauer zu erhalten, besitzt die Röntgeneinrichtung 2 eine
schematisch gezeichnete Kühlvorrichtung 80. Ein
wesentlicher Teil der Kühlvorrichtung 80 ist durch
ein mit einem Kühlmittel befüllbares Kühlmittelreservoir 82 im
Innenschaft 22 gegeben. Das Kühlmittelreservoir 82 ist
als eine im Wesentlichen zylindrische Aushöhlung in den
Innenschaft 22 eingebracht.
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Das
Schaftende 17 des Außenschafts 18 und
der Innenschaft 22 sind aus einem Material mit einer vergleichsweise
hohen Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Vorliegend
ist das entsprechende Material als eine Legierung von Molybdän
mit Titan und Zirkon gegeben.
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Die
Wärme von der „erhitzten” Drehanodenscheibe 14 wird
von dem Schaftende 17 aufgenommen und zunächst
an das in dem umlaufenden Spalt befindliche Flüssigmetall-Schmiermittel
abgegeben. Über das Schmiermittel in dem Radialspalt 66 wird die Wärme
weiter an den Innenschaft 22 abgeleitet und schließlich über
den Innenschaft 22 an das in dem Kühlmittelreservoir 82 befindliche
Kühlmittel abgegeben.
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Das
in dem Kühlmittelreservoir 82 befindliche Kühlmittel
ist hier als das Hochspannungs-Isolieröl gegeben, welches
sich, wie vorerwähnt, in dem Gehäuse 6 der
Röntgeneinrichtung 2 befindet. Das Hochspannungs-Isolieröl
wird mittels einer nicht dargestellten Pumpeinrichtung über
einen entsprechenden Kanal 84 beständig in das
Kühlmittelreservoir 82 hinein und wieder heraus
gefördert. Die Pumpeinrichtung stellt insofern ebenfalls
einen Teil der Kühlvorrichtung 80 dar. Hierdurch
kann unter geringem Aufwand ein effektiver Kühlmittelkreislauf
erzeugt werden. Mit der beschriebenen Kühlvorrichtung 80 kann
eine effektive Entwärmung der heißen Drehanodenscheibe 14 gewährleistet
werden, was letztlich die Lebensdauer der Röntgeneinrichtung 2 erhöht bzw.
höhere Leistungen der Röntgeneinrichtung ermöglicht.
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Durch
das anhand der Zeichnung erläuterte Hybrid-Lagersystem 30 der
Röntgeneinrichtung 2 kann somit bei kleinem Bauraum
eine sichere Lagerung der Drehanodenscheibe bei optimaler Kühlung erzielt
werden, wobei zugleich die notwendigen Notlaufeigenschaften realisiert
sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6430261
B1 [0002, 0002]