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Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, einer Anode, auf welcher der Elektronenstrahl auftreffen und Röntgenstrahlung erzeugen kann und einem metallischen Vakuumgehäuse, in welchem die Elektronenquelle und die Anode angeordnet sind, mit einem Austrittsfenster, durch das die von der Anode erzeugte Röntgenstrahlung austreten soll.
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Röntgenröhren dieser Art sind allgemein bekannt. Sie werden insbesondere in Vorrichtungen verwendet, bei denen Untersuchungsobjekte zur Untersuchung durch Röntgenstrahlen durchleuchtet und auf der Basis der ermittelten Absorptionseigenschaften des Untersuchungsobjektes projektive oder to-mographische Abbildungen erzeugt werden. Beispielhaft wird bezüglich des Aufbaus einer solchen Röntgenröhre auf die deutschen Druckschriften
DE 195 36 247 A1 und
DE 196 12 220 A1 verwiesen.
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Ein wesentliches Bauteil einer solchen Röntgenröhre stellt das Vakuumgehäuse dar, welches dafür sorgt, dass die Elektronenquelle und die Anode sich in ausreichendem Vakuum befinden, so dass eine weitgehend ungehinderte Bewegung der Elektronen zwischen Elektronenquelle und dem Brennfleck auf der Anode ermöglicht wird. Solche Vakuumgehäuse werden in der Regel aus Metall, meist einem nicht rostenden Edelmetall, einer Keramik oder aus Glas hergestellt. Kommerziell hergestellte Röntgenröhren für CT-Systeme und Durchleuchtungsapparaturen werden meist mit metallischen Vakuumgehäusen aus Eisen oder einem Edelstahl erzeugt, da durch das metallische Gehäuse bei ausreichender Wandstärke die nicht vermeidbare und unerwünschte Extrafokalstrahlung ausreichend abgeschirmt wird. Bei der Verwendung von Keramik oder Glas als Material für das Vakuumgehäuse würde diese Abschirmung wesentlich weniger effektiv ausfallen.
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Bei kommerziell verwendeten Röntgenröhren wird bei der Herstellung ein ausreichendes Vakuum innerhalb des Vakuumgehäuses erzeugt und anschließend dieses Vakuumgehäuse luftdicht abgeschlossen. Hierbei kann das Problem entstehen, dass während des Betriebs der Röntgenröhre trotz entsprechender vorbereitender Schritte während der Herstellung durch Ausglühen Reste von Fremdgasen aus den innenliegenden Oberflächen entweichen und damit das bestehende Vakuum verschlechtern.
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Diese schleichende Verschlechterung des Gashaushaltes wird durch den Einbau eines Getters verhindert. Der Getter ist üblicherweise Fingerhut-groß und sitzt in einer Gehäuseausbuchtung oder hinter der Kathode. Im Betrieb der Röntgenröhre, also beim Belasten des Anodenbrennflecks oder der Anodenbrennbahn, entstehen im Auftreffbereich der Elektronen auf die Anodenoberfläche lokal so hohe Temperaturwerte, dass Metallionen als Metalldampf frei werden und/oder das Anodenmaterial sonstige Moleküle freisetzt. Dieses Ausgasen des Materials führt zu einer Druckerhöhung in der Röntgenröhre und das Vakuum verschlechtert sich in Bereiche bis zu 10–6 mbar bis 10–3 mbar. Gelegentlich kommt es aufgrund der Druckerhöhung zu Hochspannungsüberschlägen, begleitet von dadurch entstehenden Ionisationswolken, die das Anwachsen der Röhrenstromstärke beim Überschlag begünstigt. Solche Überschläge führen dazu, dass für einige Zehntel Sekunden keine auswertbaren Röntgenbilder entstehen. Das Wiederherstellen des Hochvakuums von ≤ 10–6 mbar nach solchen Überschlägen braucht mehrere Zehntel Sekunden Zeit, weil in diesem Vakuumbereich die Molekularströmung vorherrscht. Dies bedeutet, dass die Gasmoleküle eine sehr hohe mittlere freie Weglänge von > 10 bis 100 mm besitzen und nur durch viele Wandreflexionen den Weg zum Ort des Getters finden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Röntgenröhre zu finden, welche, ohne die kompakte Bauweise zu verändern, ein verbessertes Überschlagsstörverhalten durch ein verbessertes Vakuum-Management aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Der Erfinder hat erkannt, dass es möglich ist, das Vakuumgehäuse aus einem Verbundwerkstoff herzustellen, welcher auf der Innenseite des Vakuumgehäuses aus einer Titanschicht besteht, während die Außenseite vorzugsweise aus Eisen oder einer Eisenlegierung oder auch aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, insbesondere CuNi44, besteht. Durch die Beschichtung der Innenseite des Vakuumgehäuses mit Titan wird erreicht, dass innerhalb des Vakuumgehäuses während des Betriebs und während der Überschlagsstörungen frei werdende Metallatome und Gasmoleküle sofort durch das Titan, welches als Getter-Material wirkt, eingefangen werden und damit das Hochvakuum stabil bleibt. Dadurch, dass direkt benachbart zu der Brennbahn und der Anode die Ti-Oberfläche getternd wirkt, werden alle von der Anode abgehenden Metalldampfatome und Gasmoleküle beim Erstkontakt mit der Vakuumhülle absorbiert. Dadurch entsteht nicht mehr das für die Hochspannungsfestigkeit risikobehaftete Mittelvakuum von > 10–6 mbar. Andererseits wird durch die äußere Metallschicht, die einen hohen Absorptionskoeffizienten für Röntgenstrahlung aufweist, wie bisher bei metallisch ausgebildeten Vakuumgehäusen in Röntgenröhren die Extrafokalstrahlung im gewünschten Maße absorbiert.
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Im Gegensatz hierzu würde sich eine Herstellung des Vakuumgehäuses aus einem Titanvollmaterial als äußerst schwierig und kostenaufwendig gestalten, da einerseits die mechanische Bearbeitung von Titan oder Titanlegierungen äußerst aufwendig ist und die Verbindungstechnik nur über Hochtemperaturlötungen erfolgen kann, und andererseits zusätzliche Maßnahmen zur Abschirmung der Extrafokalstrahlung notwendig wären, da die Absorption von Röntgenstrahlung durch Titan zu gering ist.
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Ergänzend besteht bei dem oben geschilderten Aufbau der Röntgenröhre nun auch die Möglichkeit, das Röntgenaustrittsfenster des Vakuumgehäuses in einer vereinfachten Form herzustellen. So kann lediglich die äußere Verbundschicht, zum Beispiel aus Eisen oder Eisenlegierung, einfach entfernt werden, bis nur noch die innere Titanlage als Röntgenaustrittsfenster stehen bleibt. Grundsätzlich kann dies zum Beispiel durch einfache spanabhebende Bearbeitung oder Funkenerosion geschehen. Hierbei kann auch die innere Titanschicht auf eine gewünschte geringere Dicke als die eigentliche Lagendicke reduziert werden. Es entfällt somit die bisher aufwendige Konstruktion eines Austrittsfenster, bei dem in das Metall ein Loch mit einem randseitigen Absatz eingefräst werden muss, auf den ein Titanfenster aufgesetzt und anschließend eingelötet werden muss. Auch mögliche Probleme bezüglich der Dichtigkeit des Vakuumgefäßes im Bereich des Austrittsfensters entfallen mit der neuartigen Konstruktion.
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Entsprechend diesem Grundgedanken schlägt der Erfinder vor, eine Röntgenröhre, aufweisend eine Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, eine Anode, auf welcher der Elektronenstrahl auftreffen und Röntgenstrahlung erzeugen kann, einem metallischen Vakuumgehäuse, in welchem die Elektronenquelle und die Anode angeordnet sind, mit einem Austrittsfenster, durch das die an der Anode erzeugte Röntgenstrahlung austreten soll, dahingehend zu verbessern, dass das metallische Vakuumgehäuse aus einem Verbundwerkstoff geformt und/oder zusammengeschweißt ist, wobei der Verbundwerkstoff auf der Außenseite des Vakuumgehäuses aus zumindest einer Lage eines Materials der Liste Eisen, Eisenlegierung, Kupfer, Kupferlegierung, insbesondere CuNi44, und auf der Innenseite des Vakuumgehäuses aus zumindest einer Lage Titan oder Titanlegierung besteht.
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Durch diese Ausbildung der Röntgenröhre mit Hilfe eines Verbundwerkstoffes, bestehend aus mindestens einer äußeren Lage aus im Wesentlichen Eisen oder Kupfer zur Abschirmung von Röntgenstrahlung und einer inneren Lage Titan als allseitiges Vor-Ort-Getter-Material, ergibt sich eine wesentlich bessere Betriebsstabilität der Röntgenröhre aufgrund des stabileren Vakuums und geringerer Verunreinigungen von Kathode und Anode.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung schlägt der Erfinder auch vor, das Austrittsfenster des Vakuumgehäuses aus dem innenliegenden Material des Verbundwerkstoffes zu bilden, indem die mindestens eine außenliegende Lage des Materials entfernt wird. In der Regel kann dieses Entfernen durch eine einfache spanabhebende Bearbeitung durchgeführt werden. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit beispielsweise Funkenerosion oder ähnliche Verfahren anzuwenden. Durch diese Ausbildung des Austrittsfensters werden jegliche Dichtstellen vermieden, die beim Herstellungsprozess beziehungsweise später im Betrieb zu Problemen und Undichtigkeiten führen könnten.
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Weiterhin schlägt der Erfinder vor, dass beim Verschweißen des Vakuumgehäuses aus Einzelteilen ausschließlich die mindestens eine äußere Lage des Verbundwerkstoffes der Einzelteile miteinander – im Falle von Eisen oder Eisenlegierung – verschweißt oder – im Falle von Kupfer oder Kupferlegierung – verlötet werden. Hierfür kann in einem vorbereitenden Schritt im Bereich der zu bildenden Schweißnaht oder Lotnaht die innere Lage aus Titan zunächst entfernt werden, so dass saubere und ungestörte Nähte entstehen können.
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Bezüglich der Dimensionierung des verwendeten Verbundwerkstoffes aus vorzugsweise Eisen und Titan ist es besonders günstig, wenn die mindestens eine äußere Lage des Verbundwerkstoffes aus mindestens einem der Materialien Eisen, Eisenlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung, mindestens dreifach so dick ist, wie die mindestens eine innere Lage aus Titan. Hierdurch bleiben bei der Verarbeitung des Rohmaterials im Wesentlichen die herstellungstechnisch günstigen Eigenschaften der äußeren Lage, zum Beispiel in Bezug auf Kaltverformbarkeit und Schweißbarkeit beziehungsweise Lötbarkeit, erhalten, während eine ausreichende Dicke der inneren Titanlage eine ausreichende Stabilität für das Röntgenaustrittsfenster ergibt. Als besonders günstig hat sich ein Verbundwerkstoff aus einer Kombination von ca. 0,6 mm Titan verbunden mit ca. 2 mm Edelstahl herausgestellt.
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Obwohl eine Vielzahl von verschiedenen Eisen und Eisenlegierungen oder auch Kupfer und Kupferlegierungen mit Titan beziehungsweise Titanlegierungen als Verbundwerkstoff kombiniert werden können, ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn als äußere Lage des Verbundwerkstoffes ein Cr-Ni-Mo-Stahl, vorzugsweise mit der Werkstoffnummer 1.4404, oder ein Cr-Ni-Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4306 und als innere Lage Titan vom Grade 1, vorzugsweise mit der Werkstoffnummer 3.7025, verwendet werden. In diesem Zusammenhang wird auch auf die Veröffentlichung Adv. Eng. Mat., 2009, 11, No. 1–2, Seiten 82–87, hingewiesen, in der detailliert der Herstellungsprozess entsprechender Verbundstoffe durch lagenweises Verwalzen beschrieben wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Figur näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: Röntgenquelle; 2: Elektronenquelle; 3: Drehanode; 4: Röntgenfenster; 5: Tantalblende; 6: Vakuumgehäuse; 7: Getter; 8: Schweißnaht/Lötnaht; 9: Gehäusedeckel; L.1: äußere Lage des Verbundwerkstoffes aus Eisen oder Kupfer; L.2: innere Lage des Verbundwerkstoffes aus Titan.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: Schematisch dargestellte Röntgenröhre mit Vakuumgehäuse gemäß dem Stand der Technik;
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2: Schematisch dargestellte erfindungsgemäße Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse aus Verbundmaterial bestehend aus Eisen und Titan.
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Die 1 zeigt eine bekannte Röntgenröhre 1 mit einer Elektronenquelle 2 und einer Drehanode 3, die in einem Vakuumgehäuse 6 mit über die Schweißnähte 8 aufgeschweißtem Deckel 9 integriert sind. Von der Elektronenquelle 2 ausgehend bildet sich ein Elektronenstrahl, der auf einen Brennfleck auf der schrägen Ebene der Drehanode 3 auftrifft und dort durch die abrupte Abbremsung der Elektronen Bremsstrahlung, insgesamt mit Röntgenstrahlung bezeichnet, erzeugt. Diese Röntgenstrahlung wird durch ein Röntgenfenster 4 nach außen geführt und kann somit zur Durchstrahlung beziehungsweise Abbildung von Gegenständen verwendet werden. Das Röntgenfenster 4 besteht im Stand der Technik häufig aus einer dünnen Titanfolie, die in eine Ausfräsung des Vakuumgehäuses 6 eingelötet wird. Zusätzlich wird häufig auf der Außenseite des Gehäuses eine zusätzliche Tantalblende 5 aufgebracht, die ergänzend zur metallischen Wandung des Vakuumgehäuses 6 die Extrafokalstrahlung scharf umrandet ausblenden soll.
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Zur Aufrechterhaltung des Hochvakuums wird in einer Gehäuseausbuchtung ein Getter 7 so eingebaut, dass es nicht der direkten Wärmestrahlung des Anodentellers ausgesetzt ist, jedoch freie Metallionen und Gasmoleküle einfangen kann. Der Gehäusedeckel 9 und das Vakuumgehäuse 6 werden über die Schweißnähte 8 miteinander verbunden. Alternativ zu Schweißnähten können je nach verwendetem Material auch Lötnähte verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Verbesserung der hier gezeigten Röntgenröhre liegt nun darin, dass anstelle eines einfachen Stahlblechs zur Herstellung des Vakuumgehäuses der Röntgenröhre ein Verbundwerkstoff verwendet wird, der auf seiner Außenseite mindestens eine Lage aus überwiegende Eisen oder Kupfer aufweist, die auf der Innenseite mit mindestens einer Titanlage oder Titanlegierungslage verbunden, vorzugsweise verwalzt ist.
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Die 2 zeigt eine solche Ausführung einer Röntgenröhre 1, bei der ebenso wie in der 1 im Innenraum des Vakuumgehäuses 6 eine Drehanode 3 angebracht ist, auf die Elektronen ausgehend von einer Elektronenquelle 2 auftreffen und eine Röntgenstrahlung erzeugen. Dadurch, dass als Material für die Herstellung der Außenhülle des Vakuumgehäuses ein Verbundwerkstoff, bestehend aus mindestens einer äußeren Lage L.1 aus überwiegend Eisen oder Kupfer und einer inneren Lage L.2 aus Titan oder einer Titanlegierung, verwendet wird, wirkt der gesamte Innenraum des Vakuumgehäuses 6 inklusive des Gehäusedeckels 9 als Gas absorbierende Oberfläche, so dass Gasmoleküle und Metalldampfatome, die während des Betriebes der Röntgenröhre 1 entstehen, durch die als Getter-Material wirkende Titanoberfläche eingefangen werden und somit das Hochvakuum nicht mehr gefährden. Die Verbindung zwischen der Gehäusewandung des Vakuumgehäuses 6 und dem Deckel 9 beziehungsweise zu weiteren hier nicht näher dargestellten Bauteilen kann aufgrund der Verwendung des Verbundmaterials durch Schweiß- oder Lötnähte 8 erfolgen, wobei dort jeweils der Stoßbereich frei von dem Verbundmaterial der inneren Lage, also von Titan oder Titanlegierung, sein muss. Dies kann beispielsweise durch vorheriges Abdrehen oder Abfräsen der inneren Lage L.2 geschehen.
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In der hier gezeigten Ausführung der Röntgenröhre 1 ist zusätzlich dargestellt, dass das Röntgenaustrittsfenster nicht mehr als separates Fenster eingelötet oder eingebaut werden muss, sondern dass es ausreicht, die äußere Lage des Verbundmaterials an der gewünschten Stelle zu entfernen, so dass lediglich die innere Titanlage als Röntgendurchtrittsfenster übrig bleibt. Ein positiver Nebeneffekt entsteht hierbei dadurch, dass es nicht mehr notwendig ist, eine Stufe für die Einlötung des Titanfensters einzufräsen, so dass kein stufenweiser Übergang der Wandstärken im Randbereich des Austrittsfenster besteht, sondern sofort beginnend ab dem Randbereich des Austrittsfensters die volle Materialstärke der Außenwandung vorliegt, so dass auch auf die sonst übliche Tantalblende 5, zur Vermeidung von Extrafokalstrahlung, verzichtet werden kann.
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Insgesamt wird durch die Erfindung also eine Röntgenröhre beschrieben, welche eine Außenwandung aufweist, die aus Verbundmaterial besteht, welches innen wenigstens eine Titanlage und auf der Außenseite wenigstens eine Eisenlage oder Kupferlage einschließlich deren Legierungen aufweist. Durch diese Ausgestaltung wird einerseits eine vereinfachte Herstellung des Vakuumgehäuses ermöglicht und andererseits zusätzlich dafür gesorgt, dass durch die Auskleidung der Innenseite mit Titan eine sehr große Getterfläche zur Verfügung gestellt wird, die Restausgasungen der heiß werdenden Anoden und Kathodenbauteile weitestgehend einfängt.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19536247 A1 [0002]
- DE 19612220 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Adv. Eng. Mat., 2009, 11, No. 1–2, Seiten 82–87 [0016]
