DE102010061570A1

DE102010061570A1 - Röntgenröhre mit Verbindung zwischen Target und Lagerhülse

Info

Publication number: DE102010061570A1
Application number: DE102010061570A
Authority: DE
Inventors: Donald Robert Allen; Michael Herbert; Kenwood Dayton
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-05-03
Also published as: JP2012099465A; CN102468103A; US20120106711A1

Abstract

Die hierin offenbarten Ausführungsformen betreffen die thermische Regelung von Komponenten in einer Röntgenröhre (10) durch Übertragung von Wärme zwischen der Anode (20) und dem Drehmechanismus, an welchem die Anode (20) befestigt ist. Beispielsweise ist in einer Ausführungsform eine Röntgenröhre (10) bereitgestellt. Die Röntgenröhre (10) enthält im Wesentlichen eine feststehende Welle (64), eine rotierende Lagerbuchse (62), die um die feststehende Welle (64) herum angeordnet und dafür konfiguriert ist, sich in Bezug auf die feststehende Welle (64) eines Drehlager (60) zu drehen, und ein Elektronenstrahltarget (20), das um die Lagerbuchse (62) herum angeordnet und dafür konfiguriert ist, sich mit der Lagerbuchse (62) zu drehen. Das Elektronenstrahltarget (20) ist permanent mit der Lagerbuchse (62) verbunden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Der hierin offenbarte Erfindungsgegenstand betrifft die thermische Regelung von Komponenten in einer Röntgenröhre, und insbesondere die Wärmeübertragung zwischen der Anode und dem Drehmechanismus, an dem die Anode befestigt ist.
Eine Vielfalt von diagnostischen und anderen Systemen kann Röntgenröhren als eine Strahlungsquelle nutzen. In medizinischen Bildgebungssystemen werden beispielsweise Röntgenröhren in Projektions-Röntgensystemen, Fluoroskopiesystemen, Tomosynthesesystemen und Computertomographie(CT)-Systemen als Quelle für Röntgenstrahlung verwendet. Die Strahlung wird in Reaktion auf Steuersignale während Untersuchungs- oder Bildgebungssequenzen emittiert. Die Strahlung durchdringt ein interessierendes Objekt, wie z. B. einen Patienten, und ein Teil der Strahlung trifft auf einen Detektor oder eine photographische Platte auf, auf der die Bilddaten gesammelt werden. In herkömmlichen Projektions-Röntgensystemen wird dann die photographische Platte entwickelt, um ein Bild zu erzeugen, welches von einem Radiologen oder behandelnden Arzt für Diagnosezwecke verwendet werden kann. In digitalen Röntgensystemen erzeugt ein digitaler Detektor für die Menge oder die Intensität von Strahlung, die auf diskrete Pixelbereiche einer Detektoroberfläche auftritt, repräsentative Signale. In CT-Systemen erzeugt ein Detektor-Array, der einer Reihe von Detektorelementen enthält, ähnliche Signale über verschiedene Positionen hinweg, während eine Gantry um einen Patienten herum verlagert wird.
Die Röntgenröhre wird typischerweise in Zyklen betrieben, die Perioden enthalten, in denen Röntgenstrahlen erzeugt werden, unterbrochen von Perioden, in denen man die Röntgenquelle abkühlen lässt. In Röntgenröhren mit sich drehenden Anoden kann die große Wärmemenge, die an der Anode während des Elektronenbeschusses erzeugt wird, die Menge des für den Einsatz geeigneten Elektronenstrahlflusses begrenzen. Derartige Begrenzungen können den Gesamtfluss an Röntgenstrahlen verringern, die durch die Röntgenröhre erzeugt werden. Die erzeugte Wärme kann von der Anode mittels verschiedener Einrichtungen abgeführt werden, wie z. B. ein Kühlmittel und andere Röntgenröhrenkomponenten. Ein Beispiel ist die Übertragung von Wärme durch die Welle. Leider kann eine ineffiziente Wärmeübertragung an die Welle keinen ständigen Betrieb der Röntgenröhre zulassen und kann auch zu ungeeigneten Röntgenröhrentemperaturen führen, welche die erwartete Betriebslebensdauer der Röhre verringern können. Es besteht daher ein Bedarf nach einem Lösungsweg zur Begrenzung der Überhitzung von Röntgenröhren. Insbesondere wird nun anerkannt, dass ein Bedarf nach einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen Komponenten einer Röntgenröhre besteht.
Kurzbeschreibung der Erfindung
In einer Ausführungsform ist eine Röntgenröhre geschaffen. Die Röntgenröhre enthält im Wesentlichen eine feste Welle, eine sich drehende Lagerbuchse, die um die feste Welle herum angeordnet und zur Drehung in Bezug auf die feste Welle mittels eines Drehlagers konfiguriert ist und ein um die Lagerbuchse herum angeordnetes und zur Drehung mit der Lagerbuchse konfiguriertes Elektronenstrahltarget, wobei das Elektronenstrahltarget permanent mit der Lagerbuchse verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Röntgenröhre geschaffen. Die Röntgenröhre enthält im Wesentlichen eine feste Welle, eine sich drehende Lagerbuchse, die um die feste Welle herum angeordnet und zur Drehung in Bezug auf die feste Welle über ein Drehlager konfiguriert ist, wobei die Lagerbuchse eine Schulter mit einer axialen Fläche aufweist, ein um die Lagerbuchse herum angeordnetes und zur Drehung mit der Lagerbuchse konfiguriertes Elektronenstrahltarget und eine zwischen der axialen Fläche der Schulter und dem Elektronenstrahltarget zur Befestigung des Targets an der Lagerbuchse angeordnete Verbindungsschicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen einer Röntgenröhre geschaffen. Das Verfahren beinhaltet im Wesentlichen das Anordnen einer sich drehenden Lagerbuchse um eine feste Welle, wobei die Lagerbuchse eine Schulter mit einer axialen Fläche aufweist, das Anordnen eines Elektronenstrahltargets um die Lagerbuchse, wobei das Elektronenstrahltarget während des Betriebs gemeinsam mit der Lagerbuchse drehbar ist, und das Verbinden des Targets mit der axialen Fläche der Lagerbuchsenschulter.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, worin:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Röntgenröhre mit Merkmalen ist, die dafür konfiguriert sind, die Übertragung von Wärme zwischen einem Abschnitt einer sich drehenden Anode und einem Abschnitt einer Lagerbuchse, an welcher die Anode befestigt ist, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenlegung zu ermöglichen;
2 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Abschnittes der Anodenbaugruppe von 1 mit einer zwischen einem Abschnitt der Anode und der Lagerbuchse angeordneten metallischen Verbindungsschicht gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist;
3 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Abschnittes der Anodenbaugruppe von 1 mit einem zwischen einem Abschnitt der Anode und der Lagerbuchse angeordneten metallischen Hartlot und eines Elektrodenpaares ist, das dafür konfiguriert ist, das metallische Hartlot zu schmelzen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
4 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Abschnittes der Anodenbaugruppe von 1 mit einer metallischen Dichtung und einem Paar von zwischen einem Abschnitt der Anode und der Lagerbuchse angeordneten Lotschichten ist, wobei die Dichtung und das Paar der Lotschichten dafür konfiguriert sind, bei Aufbringung von Wärme aus einer Wärmequelle zu schmelzen, um eine Legierung zu bilden, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
5 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Abschnittes der Anodenbaugruppe von 1 mit einer auf einem Abschnitt der Anode und der Lagerbuchse angeordneten hartgelöteten metallischen Schicht und eines zwischen den hartgelöteten metallischen Schichten angeordneten Lotes ist, wobei das Lot und die hartgelöteten metallischen Schichten dafür konfiguriert sind, bei Aufbringung von Wärme aus einer Wärmequelle zu schmelzen, um eine Legierung zu bilden, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
6 ein Prozessablaufdiagramm ist, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen und Verwenden der Röntgenröhre mit Wärmeübertragungsmerkmalen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Wie vorstehend erwähnt, kann eine Wärmeleitung zwischen verschiedenen Komponenten einer Röntgenröhre für die Zulassung einer Weiternutzung der Röntgenröhre sowie für die Nutzung für Bildgebungssequenzen mit hoher Leistung (d. h., hohem Röntgenfluss) wichtig sein. Ein Beispiel einer Bildgebungssequenz, die von einem hohen Röntgenfluss profitieren kann, ist eine Computertomographie(CT)-Bildgebungssequenz, bei der die Quelle der Röntgenstrahlung (d. h. eine eine Röntgenröhre enthaltende Quelle) um einen Patienten oder ein interessierendes Objekt auf einer Gantry verlagert wird. Aufgrund der Bewegung der Röntgenröhre um den Patienten ist es erwünscht, dass ein Fluss von Röntgenstrahlen bereitgestellt wird, der ausreicht, um das interessierende Objekt zu durchdringen und ein Bild mit niedrigem Rauschpegel zu erzeugen. Demzufolge besteht ein ständiger Bedarf nach verbesserter Wärmeableitung von dem Röntgentarget in der Röntgenröhre.
Für einige Röntgentargets kann es eine Anzahl von Auslegungsgesichtspunkten geben, welche Wärmeleitung, Halterung des Targets zur Begrenzung der Targetbewegung und Einhaltung der Lagertoleranz beinhalten. Im Allgemeinen können nur zwei von diesen drei Gesichtspunkten in einer gegebenen Realisierung behandelt werden. D. h., die Bewegung der Targets oder die Bewegung des Lagers können kontrolliert werden. Die vorliegenden Ausführungsformen sind auf eine starre Befestigung zwischen dem Röntgentarget und einem Spiralrillenlager gerichtet, welche eine unerwünschte Nicht-Drehbewegung des Targets begrenzt, während sie gleichzeitig eine Wärmeleitung zwischen dem Target und dem Lager aufrechterhält. Eine derartige starre Befestigung fördert eine Verringerung der relativen Bewegung des Targets, was das Risiko von Partikeln und Unwucht reduziert, mit einer variablen Lagertoleranz, welche die Last verringern kann, die das Lager tragen kann. Zusätzlich zur Verringerung des Risikos eines Röntgentargetrisses aufgrund übermäßiger Erhitzung können die vorliegenden Targetbefestigungsverfahren das Lager bei relativ niedrigen Temperaturen (< 400°C) halten. Derart niedrige Lagerungstemperaturen können das Risiko einer übermäßigen intermetallischen Bildung aufgrund einer Reaktion von flüssigen Metallmaterialien innerhalb des Spiralrillenlagers vermindern.
Insbesondere stellen die vorliegenden Ausführungsformen eine metallische Verbindungsschicht zwischen einem Abschnitt des Röntgentargets und einem Abschnitt einer Komponente des Spiralrillenlagers bereit, welche unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben ist. Die metallische Verbindungsschicht kann mittels einer Vielfalt von Verfahren erzeugt werden, einschließlich einer Widerstandshartlötung, über eine transiente Flüssigphasen-Verbindung (Transient-Liquid-Phase-Verbindung) mit einer metallischen Dichtung und/oder mit einer Transient-Liquid-Phase-Verbindung mittels einer hartgelöteten Metallschicht, wovon Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die 2–5 beschrieben sind. Ein Verfahren zum Herstellen und Verwenden einer Röntgenröhre mit einer metallischen Verbindungsschicht ist unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden stellt 1 eine Ausführungsform einer Röntgenröhre 10 dar, die Merkmale enthalten kann, die dafür konfiguriert sind, eine verbesserte Wärmeübertragung gemäß den vorliegenden Lösungsansätzen bereitzustellen. In der dargestellten Ausführungsform enthält die Röntgenröhre 10 eine Anodenbaugruppe 12 und eine Kathodenbaugruppe 14. Die Röntgenröhre 10 wird durch die Anoden- und Kathodenbaugruppen in einer Umhüllung 16 gelagert, die einen Bereich relativ niedrigen Drucks (z. B. Vakuum) im Vergleich zur Umgebung definiert. Die Umhüllung 16 kann sich in einem (nicht dargestellten) Gehäuse befinden, das mit einem Kühlmedium, wie z. B. Öl, gefüllt ist, das die Umhüllung 16 umgibt. Das Kühlmedium kann auch eine Hochspannungsisolation schaffen.
Die Anodenbaugruppe 12 enthält im Wesentlichen einen Rotor 18 und einen (nicht dargestellten) Stator außerhalb der Röntgenröhre 10, der wenigstens teilweise den Rotor 18 umgibt, um eine Drehung einer Anode 20 während des Betriebs zu bewirken. Die Anode 20 wird durch ein Lager 22 drehbar gelagert, welches ein Kugellager, ein Spiralrillenlager oder ein ähnliches Lager sein kann. Im Allgemeinen enthält das Lager 22 einen stationären Abschnitt 24 und einen Drehabschnitt 26, an welchem die Anode 20 befestigt ist. Zusätzlich enthält die Röntgenröhre 10, wie dargestellt, einen hohlen Abschnitt 28, durch welchen ein Kühlmittel, wie z. B. Öl, strömen kann. Das Lager 22 und seine Verbindung mit der Anode 20 sind nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf die 2–5 beschrieben. In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der hohle Abschnitt 28 durch die Länge der Röntgenröhre 10, welche als eine Spreizenkonfiguration dargestellt ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass sich in anderen Ausführungsformen der hohle Abschnitt 28 nur durch einen Teil der Röntgenröhre 10 erstrecken kann, wie z. B. in Konfigurationen, in welchen die Röntgenröhre 10 einseitig gelagert ist, wenn sie in einem Bildgebungssystem platziert ist.
Der vordere Abschnitt der Anode 20 ist als eine Targetscheibe mit einer darauf ausgebildeten Target- oder Brennfläche 30 ausgebildet. Während des Betriebs wird die Brennfläche 30, während sich die Anode 20 dreht, von einem Elektronenstrahl 32 getroffen. Die Anode 20 kann aus jedem Metall oder Verbundstoff, wie z. B. Wolfram, Molybdän, Kupfer oder einem beliebigen anderen Material hergestellt sein, das zur Bremsstrahlung (d. h. Abbremsungsstrahlung) beiträgt, wenn es mit Elektronen beschossen wird. Das Anodenoberflächenmaterial ist typischerweise so gewählt, dass es einen hohen Temperaturbeständigkeitswert hat, um so der Hitze zu widerstehen, die durch die auf die Anode 20 auftreffenden Elektronen erzeugt wird. Während des Betriebs der Röntgenröhre 10 kann die Anode 20 mit hoher Drehzahl (z. B. 100 bis 200 Hz) gedreht werden, um die Wärmeenergie zu verteilen, die sich aus dem die Anode 20 treffenden Elektronenstrahl 32 ergibt. Ferner kann der Zwischenraum zwischen der Kathodenbaugruppe 14 und der Anode 20 evakuiert sein, um Elektronenkollisionen mit anderen Atomen zu minimieren und ein elektrisches Potential zu maximieren. In einigen Röntgenröhren werden zwischen der Kathodenbaugruppe 14 und der Anode 20 Spannungen über 20 kV hinaus erzeugt, was bewirkt, dass die von der Kathodenbaugruppe 14 emittierten Elektronen von der Anode 20 angezogen werden.
Der Elektronenstrahl 32 wird von der Kathodenbaugruppe 14 und insbesondere einer Kathode 34 erzeugt, die ein oder mehrere elektrische Signale über eine Reihe elektrischer Leiter 36 empfängt. Die elektrischen Signale können Zeittakt/Steuer-Signale sein, die die Kathode 34 veranlassen, den Elektronenstrahl 32 bei einer oder mehreren Energien und bei einer oder mehreren Frequenzen zu emittieren. Die Kathode 34 enthält einen zentralen Isolationsmantel 38, von welchem sich eine Maske 40 erstreckt. Die Maske 40 umschließt die Leitungen 36, welche sich zu einem Kathodenbecher 42 erstrecken, der an dem Ende der Maske 40 montiert ist. In einigen Ausführungsformen dient der Kathodenbecher 42 als eine elektrostatische Linse, die von den thermionischen Heizfaden in dem Becher 42 emittierte Elektronen fokussiert, um den Elektronenstrahl 32 zu erzeugen.
Während Steuersignale an die Kathode 34 über die Leitungen 36 transportiert werden, wird der thermionische Heizfaden in dem Becher 42 erwärmt, und er erzeugt den Elektronenstrahl 32. Der Strahl 32 trifft auf die Brennfläche 30 der Anode 20 auf und erzeugt Röntgenstrahlung 46, welche aus einer Röntgenöffnung 48 der Röntgenröhre 10 ausgeleitet wird. Die Richtung und Ausrichtung der Röntgenstrahlung 46 kann durch ein magnetisches Feld, das außerhalb der Röntgenröhre 10 erzeugt wird, oder mittels elektrostatischer Einrichtungen an der Kathode 34 gesteuert werden. Das erzeugte Feld kann im Wesentlichen die Röntgenstrahlung 46 in einen fokussierten Strahl, wie z. B. in einen konusförmigen Strahl, formen, wie veranschaulicht. Die Röntgenstrahlung 46 tritt aus der Röntgenröhre 10 heraus und wird während Untersuchungsprozeduren im Allgemeinen auf ein interessierendes Objekt gerichtet.
Wie vorstehend angemerkt, kann die Röntgenröhre 10 in Systemen genutzt werden, in welchen die Röntgenröhre 10 in Bezug auf einen Patienten verlagert wird, wie z. B. in CT-Bildgebungssystemen, in welchen sich die Quelle der Röntgenstrahlung um ein interessierendes Objekt auf einer Gantry dreht. Demzufolge kann es wünschenswert sein, dass die Röntgenröhre 10 einen geeigneten Fluss von Röntgenstrahlen so erzeugt, dass aus einer unzureichenden Röntgendurchdringung während der Drehung der Röntgenröhre 10 erzeugtes Rauschen vermieden wird. Um einen derartigen geeigneten Röntgen-Fluss zu erzielen, kann die Röntgenröhre 10 im Wesentlichen, wie vorstehend erwähnt, eine Anzahl von Merkmalen haben, die dafür konfiguriert sind, eine Verteilung von Wärmeenergie zuzulassen, wenn die Anode 20, welche Röntgenstrahlen und Wärmeenergie erzeugt, wenn sie mit dem Elektronenstrahl 32 beschossen wird, sich während des Einsatzes zu erwärmen beginnt. Ein derartiges Merkmal zum Steuern des Wärmeaufbaus in Röntgenröhren ist eine Drehanode. Ferner können gemäß den vorliegenden Lösungsansätzen eine oder mehrere Einrichtungen in der Nähe der Anode 20 angeordnet werden, um eine Wärmeübertragung von der Anode 20 auf andere Komponenten der Röntgenröhre 10 zu ermöglichen.
2 veranschaulicht eine Ausführungsform der Anodenbaugruppe 12, in welcher die Anode 20 während der Drehung durch ein Spiralrillenlager (SRL) 60 gelagert ist, das durch ein Flüssigmetallmaterial geschmiert wird. Wie vorstehend erwähnt, sind jedoch die vorliegenden Lösungsansätze auch auf Ausführungsformen anwendbar, in welchen die Anode 20 während der Drehung durch andere Dreheinrichtungen, wie z. B. Kugellager und dergleichen, gelagert werden. Ausführungsformen des SRLs 60 können mit den in der am 25. März 2009 eingereichten U. S. Patentanmeldung mit der Serial-Nr. 12/410518 und dem Titel ”INTERFACE FOR LIQUID METAL BEARING AND MEHRHOD OF MAKING SAME” beschriebenen übereinstimmen, deren vollständige Offenlegung hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Das SRL 60 wird durch Verbinden einer Lagerbuchse 62 und einer festen Welle 64 gebildet, um welche sich die Lagerbuchse 62 während des Betriebs dreht.
Die Anode 20, welche im Wesentlichen eine kreisrunde Form mit einer kreisrunden Öffnung in der Nähe ihres Mittelpunktes hat, ist um die Lagerbuchse 62 in einer solchen Weise angeordnet, dass eine Drehung der Anode 20 bewirkt wird, wenn sich die Lagerbuchse 62 dreht. Gemäß vorliegenden Ausführungsformen ist eine metallurgische Verbindungsschicht 70 zwischen der Anode 20 und der Lagerbuchse 62 angeordnet. Die metallurgische Verbindungsschicht 70 ist, in einem allgemeinen Sinne, dafür konfiguriert, die Übertragung von Wärmeenergie von der Anode 20 auf die Lagerbuchse 62 zu ermöglichen, während sich die Anode 20 als Folge eines Elektronenbeschusses aufheizt. Ferner kann die metallurgische Verbindungsschicht 70 auch Wärme von der Lagerbuchse 62 auf die Anode 20 übertragen, wie z. B. in Ausführungsformen, bei denen die Drehung des SRLs 60 dazu genutzt wird, Wärmeenergie zu erzeugen. Um eine derartige Wärmeübertragung zu ermöglichen, ist die metallurgische Verbindungsschicht 70 zwischen einer axialen Fläche 72 einer Schulter 74 der Lagerbuchse 62 angeordnet. Eine derartige Platzierung kann vorteilhaft sein, um die Abführung von Wärme aus der Lagerbuchse 62 durch ein Kühlmittel zu ermöglichen, das in einem Kühlmittelströmungspfad 76 der festen Welle 64 zirkuliert.
Die metallurgische Verbindungsschicht 70 kann aus einer beliebigen Anzahl von Materialien aufgebaut sein oder solche enthalten, die für eine Wärmeenergieübertragung geeignet sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die metallurgische Verbindungsschicht 70 eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 100 Watt pro Kelvin pro Meter (W·K^–1·m^–1) haben. In einigen Ausführungsformen kann die Wärmeleitfähigkeit zwischen etwa 200 und 700 W·K^–1·m^–1 liegen. Beispielsweise kann die metallurgische Verbindungsschicht 70 eines oder eine Kombination aus Lot, Legierungen oder Metallen enthalten. Metalle, die gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden können, können Metalle beinhalten, die in der Lage sind, Legierungen mit den Materialien zu bilden, aus welchen die Anode 20 und die Lagerbuchse 62 aufgebaut sind, welche Stähle, Kovar^TM (Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung), Molybdän (Mo), Mo-Legierung, Wolfram (W), Titan (Ti) und/oder Zirkon (Zr) beinhalten können. In einer Ausführungsform kann die Anode 20 TZM, eine Molybdän-Titan-Zirkon-Legierung, enthalten, und die Lagerbuchse 62 kann eine Mo-Legierung enthalten. Demzufolge kann die metallurgische Verbindungsschicht 70 Indium (In), Zinn (Sn), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Gold (Au), Silber (Ag), Eisen (Fe), Aluminium (Al) und dergleichen enthalten. Allgemein hat das Legierungsmaterial vorteilhafterweise einen niedrigen Dampfdruck (z. B. < 1 × 10^–6 Torr) und bleibt bei der Betriebstemperatur der metallurgischen Verbindungsschicht 70 fest, um so Röntgenröhreninstabilitäten zu vermeiden. Ferner kann die metallurgische Verbindungsschicht 70 weitere Elemente enthalten, welche für die Wärmeleitung, Wärmestabilität und/oder mechanische Nachgiebigkeit nützlich sein können, wie z. B. Teilchen von Metallen und/oder verschiedene Allotrope von Kohlenstoff.
Wie vorstehend erwähnt, ist die metallurgische Verbindungsschicht 70 vorteilhafterweise eine starre Befestigung zwischen der Anode 20 und der Lagerbuchse 62. Beispielsweise hilft die Steifigkeit der metallurgischen Verbindungsschicht 70 bei der Einhaltung der Position der Anode 20 auf der Lagerbuchse 62 während der Drehung. Eine derartige Positionserhaltung kann eine Unwucht in der Röntgenröhre 10 verhindern, die u. a. zu Röhrenunzuverlässigkeit und Bildrauschen führen kann. Die metallurgische Verbindungsschicht 70 kann auf der Basis spezieller Abmessungen der Komponenten der Röntgenröhre 10 und weiterer Auslegungsgesichtspunkte bemessen sein. Um eine geeignete Wärmeleitung zu ermöglichen, kann die Dicke in der Längsrichtung (d. h. in der durch die Achse des SRLs 60 definierten Richtung) der metallurgischen Verbindungsschicht 70 irgendwo zwischen ungefähr 1 μm (z. B. 1, 2, 3, 5 oder 10 μm) und ungefähr 10 mm (z. B. 1, 2, 3, 5 oder 10 mm) bemessen sein. Ferner kann sich die metallurgische Verbindungsschicht 70 nur teilweise bis zu der axialen Fläche 70 der Lagerbuchse 62 erstrecken, sie kann teilweise bündig mit der Durchmesserausdehnung der axialen Fläche 72 sein, oder kann sich über die axiale Fläche 72 hinaus erstrecken.
Es sollte beachtet werden, dass die Betriebstemperaturen der Röntgenröhre 10 an der metallurgischen Verbindungsschicht 70 etwa 400°C erreichen oder überschreiten können. Demzufolge kann es erwünscht sein, dass die metallurgische Verbindungsschicht 70 Schmelztemperaturen von wenigstens 400°C, wie z. B. 420, 450, 500, 550, 600°C oder mehr, hat. Die Kombination aus hoher Wärmestabilität und Steifigkeit während der Verwendung der metallurgischen Verbindungsschicht 70 kann die Erzeugung kleiner Partikel vermeiden, die beispielsweise als Folge von Scherungskräften zwischen der Anode und der Lagerbuchse 62 erzeugt werden können. Derartige Partikel können in bestimmten Situationen für den Betrieb der Röntgenröhre 10 schädlich sein. Beispielsweise kann eine durch die Teilchen (z. B. wenn die Teilchen von dem Elektronenstrahl 32 getroffen werden) verursachte Funkenbildung auftreten und/oder das Vakuum in der Röhre 12 kann aufgrund des verstärkten Vorhandenseins von Partikeln verringert werden. Demzufolge verhindert die feste metallurgische Verbindungsschicht 70 vorteilhafterweise eine unerwünschte Funkenbildung und den Verlust von Vakuum, was die Lebensdauer der Röntgenröhre 10 verlängert. Wie vorstehend erwähnt, veranschaulichen die 3–5 Ausführungsformen von Konfigurationen, um die metallurgische Verbindungsschicht 70 zwischen der Anode 70 und der Lagerbuchse 62 anzubringen.
Insbesondere stellt 3 eine Ausführungsform dar, in welcher ein metallisches Hartlot 80 zwischen der axialen Fläche 72 der Schulter 74 der Lagerbuchse 62 und der Anode 20 angeordnet ist. Gemäß der dargestellten Ausführungsform kann das metallische Hartlot 80 durch die Aufbringung lokal eingegrenzter Wärme geschmolzen werden. Eine derartige lokale Erwärmung wird durch die Leitung eines Stroms durch die Anode 20, das metallische Hartlot 80 und die Lagerbuchse 62 erreicht. Der Strom kann über eine erste Elektrode 82 und eine zweite Elektrode 84 angelegt werden. Die erste Elektrode 82 kann auf einer axialen Fläche 86 der Anode 20 gegenüber der Seite des metallischen Hartlotes 80 angeordnet sein, während die zweite Elektrode 84 auf einer zweiten axialen Fläche 88 der Schulter 74 der Lagerbuchse 62 ebenfalls gegenüber der Seite des metallischen Hartlotes 80 anliegt. Auf diese Weise bilden die Elektroden 82, 84, die Anode 20 und das metallische Hartlot 80 und die Lagerbuchse 62 einen Stromkreis.
Durch das Durchleiten eines Stroms durch den ausgebildeten Stromkreis können die Bereiche in der Nähe der Elektroden 82, 84 eine lokalisierte Erwärmung erfahren, deren Umfang von dem angelegten elektrischen Potential sowie von den Materialien abhängt, aus welchen die Anode 20, das metallische Hartlot 80 und die Lagerbuchse 62 ausgebildet sind oder welche sie enthalten. Die Anwendung einer derartigen lokal eingegrenzten Wärme kann das metallische Hartlot 80 über seinen Schmelzpunkt hinaus erwärmen, was ihm ermöglicht, eine metallische Bindung mit den Oberflächen auszubilden, mit welchen es in Kontakt steht, nämlich mit den axialen Flächen der Anode 20 und der Lagerbuchsenschulter 74. Es sollte angemerkt werden, dass, obwohl die lokale Temperatur die normalen Betriebstemperaturen der Röntgenröhre 10 überschreiten kann, die lokale Wärme im Wesentlichen in dem Bereich nahe an den Elektroden 82, 84 verbleibt, was verhindert, dass das Lager 60 Temperaturen erleidet, welche Komponenten beschädigen und/oder einen einwandfreien Betrieb verhindern können.
Der vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschriebene Lösungsweg zum Erzeugen einer metallurgischen Verbindung kann allgemein auf die meisten Röntgenröhren anwendbar sein. In weiteren Ausführungsformen kann es jedoch erwünscht sein, einen Lösungsweg zu nutzen, in welchem mehr als nur ein Metall verwendet wird, um eine Legierung mit einer höheren Schmelztemperatur als der der reinen Metalle zu erzeugen, aus welcher sie besteht. 4 veranschaulicht eine derartige Ausführungsform, die in Zusammenhang mit der Anodenbaugruppe 12 bereitgestellt wird, wobei die metallurgische Verbindungsschicht 70 eine Cu-In-Sn oder ähnliche Legierung ist.
Insbesondere wird in der dargestellten Ausführungsform die metallurgische Verbindungsschicht 70 mittels einer Transient-Liquid-Phase-Verbindung erzeugt. Zwischen der Anode 20 und der axialen Fläche 72 der Lagerbuchsenschulter 74 wird eine metallische Dichtung 90, wie z. B. eine Cu-Dichtung, zwischen einem Paar von Lotschichten 92, 94 angeordnet. Die Lotschichten 92, 94 sind in Anlage gegen die Anode 20 bzw. die axiale Fläche 72 angeordnet und können Metalle, wie z. B. Cu, Ag, Sn, In, Wismut (Bi), Silizium (Si) und ähnliche Lotmaterialien enthalten. Gemäß vorliegenden Ausführungsformen haben die Lotschichten 92, 94 eine Schmelztemperatur, die niedriger ist als die höchste Betriebstemperatur der Röntgenröhre (z. B. zwischen ungefähr 125 und 400°C). Die gesamte Anodenbaugruppe 12 und, in manchen Ausführungsformen, die gesamte Röntgenröhre 10 wird dann, wie allgemein durch einen Pfeil 96 dargestellt, durch eine Wärmequelle 98 auf eine Temperatur erwärmt, bei welcher das Lot (z. B. ein In-Sn-Lot) schmilzt. Die Wärmequelle 98 kann jede Quelle sein, die in der Lage ist, Wärmeenergie an die Röntgenröhre 10 und/oder Anodenbaugruppe 12 zu senden.
Beim Senden einer geeigneten Wärmemenge 96 durchmacht dann das geschmolzene Lot eine metallurgische Reaktion mit der metallischen Dichtung 90. Die sich ergebende metallurgische Verbindung kann eine permanente Verbindung sein und eine Legierung enthalten, wie z. B. eine Cu-In-Sn-Legierung. Tatsächlich wird, da das Lot aufgeschmolzen wird, während es in direktem Kontakt mit den Oberflächen der Anode 20 und der axialen Fläche 72 steht, eine permanente Verbindung zwischen der Cu-In-Sn oder ähnlichen Legierung der Anode 20 und der Lagerbuchse 62 ausgebildet. Daher kann, wie vorstehend angemerkt, von dem Beschuss der Anode 20 mit dem Elektronenstrahl 32 erzeugte Wärme wenigstens teilweise von der Anode 20 durch die metallurgische Verbindungsschicht 70 (z. B. die Cu-In-Sn oder ähnliche Legierung), durch die Lagerbuchse 62 hindurch und zu der festen Welle 64 übertragen werden, wo die Wärmeenergie durch ein Kühlmittel (z. B. Öl) abgeführt werden kann, das durch den in deren Mitte angeordneten Kühlmittelströmungspfad 76 zirkuliert.
5 veranschaulicht einen ähnlichen Lösungsweg wie dem unter Bezugnahme auf 4 dargestellten, in welchem die metallurgische Verbindungsschicht 70 aus einem Gemisch von Metallen erzeugt wird. Statt einer zwischen zwei Lotschichten angeordneten metallischen Dichtung bildet jedoch die Ausführungsform von 5 die metallische Verbindungsschicht 70 über eine Transient-Liquid-Phase-Verbindung unter Verwendung einer Lotschicht 100, die zwischen zwei hartgelöteten metallischen Schichten 102, 104 angeordnet ist. Beispielsweise können die metallischen Schichten 102, 104 mit der Anode 20 und der Schulter 74 vor der Einführung der Lotschicht 100 (z. B. vor dem Zusammenbau der Anodenbaugruppe 12) verbunden werden. Die hartgelöteten Metallschichten können Cu und Legierungen davon, Ag, Au, Ni, Al, Fe, Si, Bor (F), Phosphor (P) und dergleichen enthalten.
Die Lotschicht 100 kann im Wesentlichen Cu, Ag, Sn, In, Bi, Si und ähnliche Lotmaterialien, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 4 angegeben, enthalten. Gemäß vorliegenden Ausführungsformen kann die Lotschicht 100 eine Schmelztemperatur haben, die unter der Temperatur liegt, bei welcher die Röntgenröhre 10 ihre maximalen Betriebstemperaturen erfährt. Beispielsweise kann die Lotschicht 100 eine Schmelztemperatur zwischen etwa 125 und 400°C haben. In einer Ausführungsform ist die Lotschicht ein In-Sn-Lot, und die metallischen Schichten 102, 104 sind hartgelötetes Cu.
Zum Erzeugen der metallurgischen Verbindungsschicht 70, wenn sich die Lotschicht 100 in ihrer Position (z. B. zwischen den hartgelöteten metallischen Schichten 102, 104) befindet, liefert die Wärmequelle 98 Wärme 96 an die gesamte Anodenbaugruppe 12 (z. B. die Röntgenröhre 10). Die Anodenbaugruppe 12 kann über die Schmelztemperatur der Lotschicht 100 (z. B. zwischen etwa 125 und 400°C) erwärmt werden. Das verflüssigte Lot geht dann eine metallurgische Reaktion unter Ausbildung einer Legierung der Lotmaterialien und der Hartlotmaterialien ein. Die sich ergebende Legierung hat vorteilhafterweise eine Schmelztemperatur über der maximalen Betriebstemperatur der Röntgenröhre (z. B. über 400°C), so dass die Anode 20 und die Buchse 62 während des gesamten Betriebs durch eine feste Verbindungsschicht miteinander verbunden bleiben. Eine derartige permanente Verbindungsschicht ermöglicht eine im Wesentlichen konstante Wärmeleitung wenigstens zwischen der Anode 20 und der Lagerbuchse 62.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht 6 im Rahmen eines Prozessflussdiagramms ein Verfahren 110 zum Herstellen und Verwenden einer Röntgenröhre mit einer wärmeleitenden metallurgischen Verbindungsschicht. Das Verfahren 110 beginnt im Wesentlichen mit der Anordnung einer Lagerbuchse um eine feststehende Welle (Block 112). Die Verbindung zwischen der Lagerbuchse und der festen Welle kann im Wesentlichen als ein Lager betrachtet werden. Wie in den vorstehenden Ausführungsformen angemerkt, kann das Lager ein Spiralrillenlager sein.
Nach dem Ausführen der durch den Block 112 dargestellten Maßnahmen wird dann ein Elektronenstrahltarget (d. h. eine Anode) um die Lagerbuchse herum angeordnet (Block 114). Sobald sich das Elektronenstrahltarget an einer gewünschten Stelle befindet, wird das Elektronenstrahltarget mit der Lagerbuchse unter Verwendung einer metallurgischen Verbindungsschicht verbunden (Block 116). Beispielsweise können eine oder mehrere metallische Dichtungen zwischen einer axialen Fläche einer Schulter der Lagerbuchse und dem Elektronenstrahltarget angeordnet werden, gefolgt von dem Aufschmelzen der einen oder mehreren metallischen Dichtungen, um eine Legierung auszubilden, die das Elektronenstrahltarget an der Lagerbuchse fest anbringt (z. B. permanent befestigt). In einigen Ausführungsformen können das Elektronenstrahltarget und die Lagerbuchse so vorbehandelt werden, dass das metallische Hartlot an jedem anhaftet. Das metallische Hartlot kann als ein Reaktionsmetall in einer metallurgischen Reaktion dienen, die die Ausbildung einer Legierung ermöglicht, die das Elektronenstrahltarget mit der Lagerbuchse verbindet. In einer derartigen Ausführungsform können die eine oder die mehreren metallischen Dichtungen eine Lotschicht enthalten, die bei einer niedrigen Temperatur (z. B. zwischen etwa 125 und 400°C) schmilzt, um die metallurgische Reaktion zu starten.
Demzufolge sollte erwähnt werden, dass die die metallurgische Verbindungsschicht ausbildenden metallischen Dichtungen auf der Lagerbuchse angebracht werden können, bevor das Target darauf angebracht wird. Jedoch können in anderen Ausführungsformen die metallischen Dichtungen, die die metallurgische Verbindungsschicht ausbilden, halbkreisförmig sein oder einen Schlitz haben, was deren Überschieben über die Lagerbuchse ermöglicht. In einer derartigen Konfiguration können die metallischen Dichtungen, sobald sie geschmolzen sind, alle Zwischenräume zwischen dem Elektronenstrahltarget und der Lagerbuchse durch Kapillarwirkung ausfüllen.
Nach dem Durchführen der durch die Blöcke 112–116 dargestellten Maßnahmen sowie aller anderen Röntgenröhren-Herstellungsprozesse kann die Röntgenröhre eingesetzt werden. Im Einsatz wird das Lager (z. B. das SRL) gedreht (Block 118), gefolgt von einem Beschuss des Elektronenstrahltargets mit einem Elektronenstrahl (Block 120). Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 1 angemerkt, wird der Elektronenstrahl durch eine Kathodenbaugruppe mit einem thermionischen Emitter erzeugt. Der Elektronenstrahl trifft das Elektronenstrahltarget, was wenigstens Röntgenstrahlen und Wärmeenergie erzeugt. Wenigstens ein Teil der Wärmeenergie wird dann aus dem Elektronenstrahltarget über die thermisch leitende metallurgische Verbindungsschicht auf die Lagerbuchse übertragen (Block 122). Wie vorstehend erläutert, kann die metallurgische Verbindungsschicht eine Legierung oder ein ähnliches Material sein, die/das eine Nicht-Drehbewegung des Elektronenstrahltargets verhindert, während gleichzeitig eine Wärmeleitung durch alle Untersuchungs-, Aufwärm- und/oder Abkühlsequenzen aufrechterhalten wird.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung, einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren, in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen betreffen die thermische Regelung von Komponenten in einer Röntgenröhre 10 durch Übertragung von Wärme zwischen der Anode 20 und dem Drehmechanismus, an welchem die Anode 20 befestigt ist. Beispielsweise ist in einer Ausführungsform eine Röntgenröhre 10 bereitgestellt. Die Röntgenröhre 10 enthält im Wesentlichen eine feststehende Welle 64, eine rotierende Lagerbuchse 62, die um die feststehende Welle 64 herum angeordnet und dafür konfiguriert ist, sich in Bezug auf die feststehende Welle 64 eines Drehlager 60 zu drehen, und ein Elektronenstrahltarget 20, das um die Lagerbuchse 62 herum angeordnet und dafür konfiguriert ist, sich mit der Lagerbuchse 62 zu drehen. Das Elektronenstrahltarget 20 ist permanent mit der Lagerbuchse 62 verbunden.
Bezugszeichenliste

10: Röntgenröhre
12: Anodenbaugruppe
14: Kathodenbaugruppe
16: Umhüllung
18: Rotor
20: Anode
22: Lager
24: stationärer Abschnitt
26: Drehabschnitt
28: hohler Abschnitt
30: Brennfläche
32: Elektronenstrahl
34: Kathode
36: elektrische Leitungen
38: zentraler isolierender Mantel
40: Maske
42: Kathodenbecher
46: Röntgenstrahlung
48: Röntgenöffnung
60: SRL
62: Lagerbuchse
64: feste Welle
70: metallurgische Verbindungsschicht
72: axiale Fläche
74: Schulter
76: Kühlmittelströmungspfad
80: metallisches Hartlot
82: erste Elektrode
84: zweite Elektrode
86: axiale Fläche
88: zweite axiale Fläche
90: metallische Dichtung
92: Lotschichten
94: Lotschichten
96: Pfeil
98: Wärmequelle
100: Lotschicht
102: hartgelötete metallische Schichten
104: hartgelötete metallische Schichten
110: Verfahren
112: Lagerbuchse um feste Welle anbringen
114: Elektronenstrahltarget um Lagerbuchse anbringen
116: Target mit Lagerbuchse mittels metallurgischer Verbindungsschicht verbinden
118: Lager drehen
120: Target mit Elektronenstrahl beschießen
122: Wärmeenergie vom Target auf die Lagerbuchse über die metallurgische Verbindungsschicht übertragen

Claims

Röntgenröhre (10), aufweisend: eine feste Welle (64), eine sich drehende Lagerbuchse (62), die um die feste Welle (64) herum angeordnet und zur Drehung in Bezug auf die feste Welle (64) über ein Drehlager konfiguriert ist; und ein Elektronenstrahltarget (20), das um die Lagerbuchse (62) herum angeordnet und zur Drehung mit der Lagerbuchse (62) konfiguriert ist, wobei das Elektronenstrahltarget (20) mit der Lagerbuchse (62) dauerhaft verbunden ist.
Röntgenröhre (10) nach Anspruch 1, wobei die Lagerbuchse (62) eine Schulter (74) mit einer axialen Fläche (72) aufweist und wobei das Target (20) mit der axialen Fläche (72) der Schulter (74) verbunden ist.
Röntgenröhre (10) nach Anspruch 2, wobei das Target (20) mit der axialen Fläche (72) der Schulter (74) über eine metallische Verbindungsschicht (70) verbunden ist, die zwischen dem Target (20) und der axialen Fläche (72) der Schulter (74) angeordnet ist.
Röntgenröhre (10) nach Anspruch 3, wobei die Verbindungsschicht (70) ein Hartlotmaterial (80, 102, 104) aufweist.
Röntgenröhre (10) nach Anspruch 3, wobei die Verbindungsschicht (70) eine Transient-Liquid-Phase-Verbindung aufweist.
Röntgenröhre (10) nach Anspruch 5, wobei die Transient-Liquid-Phase-Verbindung Lotschichten (92, 94) und Dichtungsmaterial (90) aufweist, die eine Legierung ausbilden, wenn das Target (20) mit der Lagerbuchse (62) verbunden wird.
Röntgenröhre (10) nach Anspruch 6, wobei die Transient-Liquid-Phase-Verbindung eine Kupferschicht (90) und ein Indium-Zinn-Lot (92, 94) aufweist.
Röntgenröhre (10) nach Anspruch 7, wobei die Transient-Liquid-Phase-Verbindung vor der Verbindung eine Kupferschicht (90) zwischen zwei Indium-Zinn-Lotschichten (92, 94) aufweist.
Röntgenröhre (10) nach Anspruch 7, wobei die Transient-Liquid-Phase-Verbindung vor der Verbindung Indium-Zinn-Lot (100) zwischen zwei Kupferschichten (102, 104) aufweist.
Röntgenröhre (10), aufweisend: eine feste Welle (64); eine sich drehende Lagerbuchse (62), die um die feste Welle (64) herum angeordnet und zur Drehung in Bezug auf die feste Welle (64) über ein Drehlager (60) konfiguriert ist, wobei die Lagerbuchse (62) eine Schulter (74) mit einer axialen Fläche (76) aufweist, ein Elektronenstrahltarget (20), das um die Lagerbuchse (62) herum angeordnet und zur Drehung mit der Lagerbuchse (62) konfiguriert ist; und eine Verbindungsschicht (70), die zwischen der axialen Fläche (72) der Schulter (74) und dem Elektronenstrahltarget (20) zur Sicherung des Targets (20) an der Lagerbuchse (62) angeordnet ist.