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Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahler mit einer Röntgenröhre, die mit ihrem Vakuumgehäuse in einem Strahlergehäuse angeordnet ist, in dem ein Kühlmedium zirkuliert.
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Ein derartiger Röntgenstrahler umfasst ein Strahlergehäuse, in dem eine Röntgenröhre starr (Steh- bzw. Festanoden-Röntgenröhre oder Drehanoden-Röntgenröhre) oder drehbar (Drehkolben-Röntgenröhre) angeordnet ist.
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In der Röntgenröhre werden von einer Elektronenquelle (Glühwendel, Flachemitter) Elektronen thermisch erzeugt und auf eine Anode (Stehanode oder Drehanode) hin beschleunigt. Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode wird Röntgennutzstrahlung erzeugt, die durch ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster aus dem Vakuumgehäuse austritt. Bei der Erzeugung der Röntgennutzstrahlung wird mehr als 99% der eingesetzten Energie in Wärme umgesetzt. Diese Wärme muss während des Betriebs der Röntgenröhre durch ein Kühlsystem effektiv abgeführt werden. Hierzu zirkuliert im Strahlergehäuse ein Kühlmedium (Wasser, Öl) das das Vakuumgehäuse an seiner Außenseite, das sind die dem Kühlmedium zugewandten Flächen, umströmt.
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Das Vakuumgehäuse der Röntgenröhre umfasst auch das notwendige Röntgenstrahlenaustrittsfenster, ein möglicherweise vorhandenes Gleitlager-Innenkühlrohr und eine eventuell vorhandene Elektronenfängerkühlfläche.
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Einige Anwendungen erfordern ein möglichst kompaktes Röntgenstrahlerdesign. Insbesondere bei einpoligen Röntgenröhren kann die Röntgenröhre aufgrund der nicht notwendigen Isolationsabstände von hochspannungsführenden Bauteilen noch weiter verkleinert werden. In beiden Fällen fällt die Wärme auf besonders kleinen Kontaktflächen zum Kühlsystem an. Die gezielte Abfuhr der in der Anode erzeugten Wärme erfolgt deshalb beispielsweise in einem Innenkühlrohr des Gleitlagers (feststehender Teil des Gleitlagers). Alternativ oder zusätzlich zu einer Wärmeabfuhr am Innenkühlrohr des Gleitlagers kann an weiteren Teilen des Vakuumgehäuses, beispielsweise an einer Kühlfläche eines Elektronenfängers oder am Röntgenstrahlenaustrittsfenster, eine gezielte Wärmeabfuhr erfolgen. Die Verkleinerung der Baugröße bei diesen Bauteilen ist durch den bisher erreichbaren Wärmeübergangskoeffizienten an den Kühlflächen begrenzt.
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Bei einem Hochleistungsanodenteller für eine direkt gekühlte Drehkolbenröhre ist es z. B. aus der
DE 10 2004 003 370 A1 bekannt, dass die dem Kühlmedium zugewandte Fläche der Anode entweder glatt, makroskopisch strukturiert (”Rillen”) oder sandgetrahlt ist. Dadurch wird eine Vergrößerung der Kühlfläche, jedoch keine Vergrößerung des Wärmeübergangskoeffizienten, erreicht.
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In der
EP 0 075 014 B1 ist eine direkt gekühlte Drehkolbenröhre beschrieben, bei der die Anode auf der dem Kühlmedium zugewandten Fläche eine poröse Beschichtung aufweist.
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Die
US 3 433 632 A gibt Hinweise auf Materialien und Schichtdicken, die für eine poröse Beschichtung von Metallblechen geeignet sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Röntgenstrahler zu schaffen, der auch bei einer kompakten Bauform thermisch höher belastbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Röntgenstrahler gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Der Röntgenstrahler nach Anspruch 1 umfasst eine Röntgenröhre, die mit ihrem Vakuumgehäuse in einem Strahlergehäuse angeordnet ist, in dem ein Kühlmedium zirkuliert. Erfindungsgemäß weist das Vakuumgehäuse zumindest an einem Röntgenstrahlenaustrittsfenster an einer dem Kühlmedium zugewandten Fläche zumindest teilweise eine poröse Beschichtung auf. Dadurch wird die für die Wärmeübertragung eingesetzte Grenzfläche zwischen Kühlmedium und dem Kühlmedium zugewandten Fläche, und damit zumindest an einem Teil der Außenfläche des Vakuumgehäuses, vergrößert ohne dass die sich bei teilweiser Verdampfung des Kühlmediums bildenden Blasen den Wärmestrom behindern oder ganz unterbrechen. Der Wärmeübergang zwischen den Außenflächen des Vakuumgehäuses und dem zirkulierenden Kühlmedium wird somit insbesondere beim Blasensieden verbessert.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene zumindest teilweise poröse Beschichtung des Vakuumgehäuses an seinen Flächen, die dem Kühlmedium zugewandt sind, werden der Wärmeübergangskoeffizient und damit der Wärmeübergang vom erwärmten Vakuumgehäuse auf das zirkulierende Kühlmedium verbessert.
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Im Rahmen bevorzugter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers kann das Vakuumgehäuse an seinen dem Kühlmedium zugewandten Flächen vollständig (Anspruch 2) oder teilweise mit einer porösen Beschichtung versehen sein. Bevorzugte Bereiche des Vakuumgehäuses für eine teilweise poröse Beschichtung sind beispielsweise das Gleitlager-Innenkühlrohr (Anspruch 3), die Elektronenfängerkühlfläche (Anspruch 4) sowie die Rückseite der Anode (Anspruch 5). In den vorgenannten Bereichen tritt insbesondere bei kompakt aufgebauten Röntgenstrahlern eine erhöhte Temperatur des Vakuumgehäuses auf, die durch eine zumindest teilweise poröse Beschichtung deutlich besser durch das im Strahlergehäuse zirkulierende Kühlmedium abgeführt werden kann.
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Die poröse Beschichtung kann beispielsweise mittels eines Sinterverfahrens auf die Außenflächen des Vakuumgehäuses aufgebracht werden.
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Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke der porösen Beschichtung ca. 30 μm bis ca. 200 μm (Anspruch 6).
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Als korrosionsbeständige Materialien für die zumindest teilweise poröse Beschichtung sind vorzugsweise Metalle, insbesondere Edelstahl, Kupfer (sehr gute Wärmeleitung) und/oder Titan (keine unerwünschte Beeinflussung des Spektrums der Röntgenstrahlung) vorgesehen (Ansprüche 7 bis 11).
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im Folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 ein Vakuumgehäuse einer Röntgenröhre eines Röntgenstrahlers im Bereich eines Röntgenstrahlenaustrittsfensters und
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2 den prinzipiellen Zusammenhang beim Sieden eines flüssigen Kühlmediums anhand einer Siedekennlinie.
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In 1 ist mit 1 ein Vakuumgehäuse einer Röntgenröhre bezeichnet, das ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster 2 aufweist. Die Röntgenröhre ist mit ihrem Vakuumgehäuse 1 in einem Strahlergehäuse 3 angeordnet, das ein zum Röntgenstrahlenaustrittsfenster 2 korrespondierendes Strahlenaustrittsfenster 4 umfasst. In dem Strahlergehäuse 3 zirkuliert ein Kühlmedium 5 (Wasser, Öl), durch das die bei der Erzeugung der Röntgennutzstrahlung entstehende Wärme abgeführt wird. Erfindungsgemäß weist das Vakuumgehäuse 1 zumindest an einem Röntgenstrahlenaustrittsfenster 2 an einer dem Kühlmedium 5 zugewandten Fläche 6 zumindest teilweise eine poröse Beschichtung 7 auf.
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Es spielt hierbei keine Rolle, ob die dem Kühlmedium 5 zugewandten Flächen 6 (Außenflächen des Vakuumgehäuses 1) auf einer größeren Längenskala geometrisch strukturiert sind, also zusätzlich Rillen, Kühlrippen oder dergleichen besitzt, die mit der porösen Beschichtung 7 versehen sind.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das Vakuumgehäuse 1 genau ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster, auf dem die poröse Beschichtung 7 aufgebracht ist. Die poröse Beschichtung 7 auf dem Röntgenstrahlenaustrittsfenster 2 besteht aus Titan, da dieses Material das Spektrum der Röntgenstrahlung nicht in unerwünschter Weise beeinflusst.
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Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass weitere Flächen des Vakuumgehäuses 1, die dem Kühlmedium 5 zugewandt sind, mit einer porösen Beschichtung versehen sind (in 1 nicht dargestellt). So können beispielsweise auch alle dem Kühlmedium 5 zugewandten Flächen des Vakuumgehäuses 1 (Außenflächen des Vakuumgehäuses 1) eine poröse Beschichtung aufweisen.
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Diese poröse Beschichtung muss nicht notwendigerweise identisch ausgeführt sein. So kann es vorteilhaft sein, für die poröse Beschichtung unterschiedliche Materialien und/oder unterschiedliche Schichtdicken, vorzugsweise zwischen 30 μm und 200 μm, zu verwenden. Beispielsweise die Verwendung von Titan nur für die poröse Beschichtung 7 des Röntgenstrahlenaustrittsfensters 2 und die Verwendung von Kupfer – wegen seiner sehr guten Wärmeleitfähigkeit – als Material für die Außenflächen des Vakuumgehäuses 1, die außerhalb des Röntgenstrahlenaustrittsfensters 2 liegen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, für thermisch höher belastete Außenflächen, z. B. die Fläche eines Gleitlager-Innenkühlrohres, die Elektronenfängerkühlfläche oder die Rückseite der Anode, poröse Beschichtungen mit einer größeren Schichtdicke aufzubringen.
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In dem Diagramm der Siedekennlinie gemäß 2 ist der prinzipielle Zusammenhang beim Sieden eines flüssigen Kühlmediums anhand einer Siedekennlinie erläutert. Dieser Zusammenhang ist in der Dissertation von Robert Goldschmidt ”Experimentelle Untersuchung des Einflusses von porös beschichteten Heizflächen auf vollständige Siedekennlinien von aufwärts strömendem Wasser im einseitig beheizten Rechteckkanal” ausführlich beschrieben. Die Dissertation ist unter der URL http://edocs.tu-berlin.de/diss/2004/goldschmidt_robert.pdf abrufbar.
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In diesem Diagramm ist, jeweils in logarithmischer Darstellung, auf der Abszisse die Überhitzung ΔT der Wand des Vakuumgehäuses und auf der Ordinate die Wärmestromdichte HF aufgetragen. Der Verlauf der Siedekennlinie bei aufgeprägter Wärmestromdichte HF (z. B. Wärmeabgabe der Anode, d. h. Strahlungsheizung) ist als gestrichelte Linie dargestellt, wohingegen der und der Verlauf der Siedekennlinie bei vorgegebener Wandtemperatur des Vakuumgehäuses (Wärmeübertrager) als durchgezogene Linie dargestellt ist.
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Bei den in 2 dargestellten prinzipiellen Zusammenhängen beim Sieden einer Flüssigkeit über einer ”Wand” (Tw-Wandtemperatur des Vakuumgehäuses, Ts-Siedetemperatur/Sättigungstemperatur des Kühlmediums) wird davon ausgegangen, dass das Kühlmedium mit einer Temperatur an die Wand anströmt, die kleiner ist als die Siedetemperatur Ts. Technisch nutzbar ist im Wesentlichen der Bereich Konvektion 10 und Blasensieden 11, da bei einer noch höheren Temperatur ein Sprung der Wandtemperatur (Temperatur des Vakuumgehäuses) auf den Bereich Filmsieden 15 stattfindet (für Wasser typischerweise größer als 400°C).
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Bei einem Röntgenstahler hängt der Verlauf einer Siedekennlinie ab von
- – dem verwendeten Kühlmedium,
- – der Art der Strömung des Kühlmediums,
- – dem thermodynamischen Zustand des Kühlmediums,
- – der Anordnung der Röntgenröhre im Strahlergehäuse und der Geometrie des Vakuumgehäuses der Röntgenröhre,
- – den Eigenschaften des Materials, aus dem das Vakuumgehäuse hergestellt ist, sowie
- – der Beschaffenheit der dem Kühlmedium zugewandten Flächen (im Folgenden auch als Außenflächen des Vakuumgehäuses bezeichnet).
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Bei kleinen Überhitzungen des Vakuumgehäuses erfolgt der Wärmeübergang durch freie, einphasige Konvektion 10, die mit steigender Temperaturdifferenz zu besseren Wärmeübergangskoeffizienten und somit zu einem leichten Anstieg der Siedekennlinie führt. In Abhängigkeit von der Benetzbarkeit der Außenfläche des Vakuumgehäuses bilden sich nach einem mehr oder weniger starken Siedeverzug erste Dampfblasen an bestimmten Stellen auf den Außenflächen des Vakuumgehäuses, wobei die Anzahl der Dampfblasen und die Größe der Dampfblasen mit steigender Überhitzung der Außenflächen des Vakuumgehäuses wächst (Onset of Nucleate Boiling, ONB). Mit dem Ablösen der ersten Dampfblasen von den Außenflächen des Vakuumgehäuses beginnt das Blasenssieden 11 (Wandüberhitzung ΔT11 beim Beginn des Blasensiedens 11). Die Außenflächen des Vakuumgehäuses sind in diesem Bereich noch vollständig von dem Kühlmedium benetzt. Durch die vermehrte Dampfproduktion und die intensive Rührwirkung der miteinander koaleszierenden Dampfblasen (Koaleszenz: Zusammentreffen und Verschmelzung von Dampfblasen) steigt die Wärmestromdichte steil an. Die starke Steigung der Siedekennlinie flacht kurz vor Ihrem Maximum etwas ab, weil sich aufgrund der Blasenwechselwirkungen kurzzeitig kleine Dampfpolster an den Außenflächen des Vakuumgehäuses bilden. In den meisten technischen Siedeprozessen tritt das Blasensieden 11 oder, im Falle hoher Dampfgehalte (bei Röntgenstrahlern unerwünscht), die erzwungene konvektive Verdampfung 12 auf. Der maximal bei einer benetzten Außenfläche des Vakuumgehäuses zu übertragende Wärmestrom ist durch eine Änderung des Wärmeübergangsmechanismus, der so genannten Siedekrise 13, begrenzt (Wandüberhitzung ΔTCHF bei kritischer Wärmestromdichte CHF). Eine anschließende Verschlechterung des Wärmeübergangs ist darin begründet, dass das Kühlmedium teilweise den unmittelbaren Kontakt mit der Außenfläche des Vakuumgehäuses verliert und somit die Wärme nicht mehr an die flüssige Phase, sondern an die dampfförmige Phase (mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit) übertragen wird.
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Aus Sicherheitsgründen ist daher die Kenntnis der kritischen Wärmestromdichte CHF (Critical Heat Flux) von großer Relevanz um ein Burnout der Außenflächen des Vakuumgehäuses bzw. eine unerwünschte Verschlechterung des Wärmeübergangs zu vermeiden. Das ist wichtig bei Anlagenkomponenten mit hohen Wärmeleistungen pro Flächeneinheit, wie beispielsweise bei Kühlkreisläufen von Röntgenstrahlern.
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Nach der Siedekrise 13 (postkritischer Bereich) existieren bei einer auf die Außenflächen des Vakuumgehäuses aufgeprägten Temperatur vereinfacht zwei Hauptbereiche des Wärmeübergangs, nämlich das partielle Filmsieden 14 (Übergangssieden, Transition Boiling) und der Bereich des stabilen Filmsiedens 15. Die beiden Hauptbereiche des Wärmeübergangs sind durch die Wandüberhitzung ΔT16 bei Leidenfrosttemperatur 16 getrennt. Der Dampfanteil an den Außenflächen des Vakuumgehäuses nimmt mit steigender Temperatur zu und der Wärmeübergang verschlechtert sich weiter, bis zu einer Wandtemperatur des Vakuumgehäuses, bei der nur noch Dampf an den Außenflächen des Vakuumgehäuses vorliegt (Leidenfrosttemperatur 16 oder minimale Filmsiedetemperatur). Dieser Bereich des Übergangssiedens 14 ist der einzige Wärmeübertragungsmechanismus, bei dem eine Erhöhung der treibenden Temperaturdifferenz zu einer Verringerung des Wärmestroms führt.
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Mit dem Erreichen der Leidenfrosttemperatur 16 beginnt idealisiert das stabile Filmsieden 15. Ab dieser Temperatur sind die Außenflächen des Vakuumgehäuses nur noch mit einem Dampffilm bedeckt. Infolge der Wärmestrahlung, Konvektion und Wärmeleitung zwischen den Außenflächen des Vakuumgehäuses, dem Dampf und dem Kühlmedium steigt die Wärmestromdichte mit wachsender Temperaturdifferenz wieder leicht an.
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Technisch interessant ist die Leidenfrosttemperatur 16 (minimale Filmsiedetemperatur) bei Vorgängen, bei denen die Wiederbenetzung der Außenflächen des Vakuumgehäuses mit Flüssigkeit und die damit verbundene Verbesserungen des Wärmeübergangs wichtig sind.
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Die Leidenfrosttemperatur 16 wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme, auf die Außenflächen des Vakuumgehäuses, d. h. auf die dem Kühlmedium zugewandten Flächen, eine zumindest teilweise poröse Beschichtung aufzubringen, erhöht. Dadurch setzt das Wiederbenetzen der Außenflächen des Vakuumgehäuses früher ein und der Wärmeübergang zwischen den Außenflächen des Vakuumgehäuses und dem zirkulierenden Kühlmedium wird somit verbessert.
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Wird die Kühlfläche mit geringerer als der Siedetemperatur des Kühlmediums angeströmt, so steigt der Wärmestrom zusätzlich an. Zur Kühlung technisch nutzbar sind daher noch höhere Wärmestromdichten HF als vorstehend erläutert.
