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Die Erfindung betrifft einen insbesondere für den Einsatz in einem medizintechnischen Gerät geeigneten Drehkolben-Röntgenstrahler mit einer in einem ölgefüllten Strahlergehäuse rotierbaren Röntgenröhre. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Drehkolben-Röntgenstrahlers.
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Ein Drehkolben-Röntgenstrahler der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 056 110 A1 bekannt. In diesem Drehkolben-Röntgenstrahler ist eine ein Vakuumgehäuse aufweisende Drehkolben-Röntgenröhre rotierbar gelagert. Die Drehkolben-Röntgenröhre enthält eine mit dem Vakuumgehäuse fest verbundene Drehanode sowie eine Elektronen emittierende Kathode. Sowohl Teile des Vakuumgehäuses als auch Teile des die Drehkolben-Röntgenröhre umschließenden Strahlergehäuses weisen bei dem bekannten Drehkolben-Röntgenstrahler Abschirmungen, insbesondere aus Tantal, Wolfram und/oder Molybdän, gegen Verlust-Röntgenstrahlung auf. Die Drehkolben-Röntgenröhre ist mittels eines nicht näher spezifizierten Antriebs, welcher sich in axialer Verlängerung einer mit der Röntgenröhre verbundenen Welle befindet, angetrieben.
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Aus der
DE 41 08 591 A1 ist eine magnetische Kupplung für eine Röntgen-Drehröhre zu entnehmen, bei der eine äußere magnetische Anordnung die Drehröhre vollständig umgibt und Polschuhe der äußeren magnetischen Anordnung um den Umfang des Vakuumkolbens verteilt angeordnet sind.
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Aus der
US 6,570,960 B1 ist eine weitere Röntgen-Drehröhre zu entnehmen, bei der eine Magnetkupplung zwischen einer äußeren Antriebsscheibe und einer inneren Rotorscheibe ausgebildet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehkolben-Röntgenstrahler gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, insbesondere eine Eignung für höhere Drehzahlen und/oder für höhere Drücke der Ölfüllung im Strahlergehäuse zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Drehkolben-Röntgenstrahler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines Drehkolben-Röntgenstrahlers den Merkmalen des Anspruchs 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Drehkolben-Röntgenstrahler erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
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Der Drehkolben-Röntgenstrahler weist eine in einem ölgefüllten Strahlergehäuse rotierbare Röntgenröhre sowie einen zum Antrieb der Röntgenröhre vorgesehenen Elektromotor auf, wobei das Strahlergehäuse hermetisch dicht ausgebildet und eine Magnetkupplung zwischen der Röntgenröhre und dem Elektromotor vorgesehen ist.
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Unter einer Ölfüllung des Strahlergehäuses wird unabhängig von der Konsistenz und chemischen Zusammensetzung jegliches Medium im Strahlergehäuse verstanden, das als Kühlmedium zur Kühlung der Röntgenröhre fungiert. Unter dem Begriff Magnetkupplung werden sämtliche Arten von Kupplungen verstanden, die berührungslos, durch eine geschlossene Wandung hindurch, mittels magnetischer oder elektromagnetischer Wechselwirkung ein Drehmoment zwischen einer antreibenden Welle und einer angetriebenen Welle übertragen.
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Eine Magnetkupplung, welche einen berührungslosen Antrieb eines in einem hermetisch dichten Behälter angeordneten rotierbaren Elements ermöglicht, ist prinzipiell beispielsweise aus der
DE 10 2009 052 856 B3 bekannt.
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Der Vorteil der Verwendung der Magnetkupplung zur Drehmomentübertragung beim erfindungsgemäßen Drehkolben-Röntgenstrahler liegt primär in der Möglichkeit, das Strahlergehäuse ohne Wellendurchführung zu gestalten. Weiterhin ist die Tatsache von Vorteil, dass der Antrieb über die Magnetkupplung im Vergleich zu herkömmlichen Antrieben besonders tolerant gegenüber Winkelfehlern sowie einem Parallelversatz zwischen der antreibenden Welle und der angetriebenen Welle ist. Vorzugsweise ist der Antrieb als getriebeloser Antrieb gestaltet. Theoretisch ist jedoch auch ein Antrieb über ein außerhalb des Strahlergehäuses angeordnetes Getriebe realisierbar.
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Die zur Drehmomentübertragung auf die Röntgenröhre vorgesehene Magnetkupplung weist vorzugsweise mit Permanentmagneten bestückte Kupplungselemente auf. Als Magnete sind zum Beispiel Samarium-Cobalt-Magnete oder Neodym-Eisen-Bor-Magnete geeignet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein innerhalb des Strahlergehäuses angeordnetes Kupplungselement der Magnetkupplung mit einem Isolierelement verbunden, wobei das Kupplungselement vorzugsweise in das eine scheibenförmige Gestalt aufweisende Isolierelement integriert ist. Das Isolierelement ist bevorzugt aus Kunststoff, insbesondere einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise einem Polyaryletherketon, zum Beispiel Polyetheretherketon (PEEK), gefertigt.
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Der zwischen den Kupplungselementen der Magnetkupplung angeordnete Bereich der Wandung des Strahlergehäuses ist aus einem nichtmagnetischen Material gebildet. Ein nichtmagnetisches Metall wie Aluminium kommt hierfür ebenso in Betracht wie ein mechanisch und thermisch ausreichend stabiler Kunststoff, insbesondere ein faserverstärkter Kunststoff, beispielsweise ein mit Kohlenstofffasern verstärkter Kunststoff.
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Dank der Magnetkupplung sind hohe Drehzahlen der Röntgenröhre von beispielsweise über 10.000 Umdrehungen pro Minute bei gleichzeitigem hohen Überdruck des im Strahlergehäuse befindlichen bis von beispielsweise über 5 bar realisierbar, wobei jegliche Ölleckage prinzipbedingt ausgeschlossen ist.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 Einen Drehkolben-Röntgenstrahler mit Wellendurchführung durch ein Strahlergehäuse,
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2 einen erfindungsgemäßen Drehkolben-Röntgenstrahler mit Magnetkupplung, und
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3 ein Detail der Magnetkupplung des Drehkolben-Röntgenstrahlers nach 2.
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Während die 1 lediglich Vorüberlegungen zur Erfindung illustriert, ist in 2 und in 3 ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem sämtliche erfindungsgemäßen Merkmale realisiert sind. Soweit die technische Funktion der Vorrichtung nach 1 mit dem Ausführungsbeispiel der Erfindung übereinstimmt oder prinzipiell vergleichbar ist, werden für einander entsprechende Teile in allen Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Ein in 1 mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Drehkolben-Röntgenstrahler, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird, weist ein ölgefülltes Strahlergehäuse 2, sowie eine in diesem rotierbar gelagerte Röntgenröhre 3 auf.
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Eine innerhalb der evakuierten Röntgenröhre 3 angeordnete, nicht dargestellte Kathode (in der Anordnung nach 1 im linken Bereich der Röntgenröhre 3) emittiert Elektronen, welche durch ein Ablenksystem 4 in gewünschter Weise in ihrer Flugbahn beeinflusst und auf eine Anode 5 geleitet werden, um dort Röntgenstrahlung, insbesondere in Form von Bremsstrahlung, zu erzeugen. Lediglich ein geringer Teil der durch die Elektronen eingetragenen Energie, größenordnungsmäßig 1% dieser Energie, wird in Röntgenstrahlung umgewandelt. Der weitaus größte Teil der Energie ist in Form von Wärme von der Röntgenröhre 3 abzuführen. Dies geschieht mit Hilfe des im Strahlergehäuse 2 befindlichen Öls.
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Die gesamte Röntgenröhre 3 ist innerhalb des Strahlergehäuses 2 rotierbar gelagert, wie durch zwei Lager 6, 7, welche als Kugellager ausgebildet sind, angedeutet ist.
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Zum Antrieb der Röntgenröhre 3 ist ein Elektromotor 8 vorgesehen, welcher außerhalb des Strahlergehäuses 2 angeordnet ist. Eine Welle 9 verbindet den Rotor 10 des Elektromotors 8 mit der Röntgenröhre 3 und ist durch eine Öffnung 11 in der Wandung 12 des Strahlergehäuses 2 geführt. Zur Abdichtung ist an dieser Stelle eine Wellendichtung 13 vorgesehen. Zwischen dem durch die Wandung 12 geführten Abschnitt der Welle 9 und der als Drehkolbenröhre ausgebildeten Röntgenröhre 3 ist eine Isolationskupplung 14 anordenbar, welche beispielsweise aus Kunststoff herstellbar ist.
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Konstruktionsbedingt sind herkömmliche Wellendichtungen 13 beispielsweise für hohe Drehzahlen, jedoch geringe Druckdifferenzen, oder für höhere Druckdifferenzen bei geringen Drehzahlen vorgesehen. Selbst bei nur geringen Drehzahlen und geringen Druckdifferenzen oder praktisch drucklosem Betrieb kann Verschleiß erfahrungsgemäß zur Undichtigkeit der Wellendichtung 13 führen. Hinzu kommt, dass auch Einbaufehler oder besondere Belastungszustände, welche sich insbesondere in Winkelfehlern oder Parallelversatz von drehmomentübertragenden Teilen zwischen dem Elektromotor 8 und der Röntgenröhre 3 äußern, zu vorzeitigem Verschleiß und Leckagen der Wellendichtung 13 führen können.
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Den genannten Nachteilen wird effizient durch die Gestaltung der Drehmomentübertragung vom Elektromotor 8 auf die Röntgenröhre 3 gemäß 2 entgegengewirkt. Zur Unterscheidung von der Variante nach 1 ist die erfindungsgemäße Ausführungsform des Drehkolben-Röntgenstrahlers gemäß 2 mit dem Bezugszeichen 101 gekennzeichnet.
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Statt einer abgedichteten Wellendurchführung ist bei dem Drehkolben-Röntgenstrahler 101 eine Magnetkupplung 15 vorgesehen, welche ein äußeres, das heißt auf der Seite des Elektromotors 8 angeordnetes Kupplungsteil 16 und ein inneres, das heißt im ölgefüllten Innenraum des Strahlergehäuses 2 angeordnetes Kupplungsteil 17 umfasst. Eine stirnseitige Ansicht des äußeren Kupplungsteils 16, welche der stirnseitigen Ansicht des inneren Kupplungsteils 17 entspricht, ist in 3 wiedergegeben.
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Zwischen den Kupplungsteilen 16, 17 befindet sich ein Wandungsabschnitt 18 der Wandung 12, welcher derart gestaltet ist, dass sowohl die erforderliche Druckfestigkeit als auch die Übertragbarkeit der Magnetkräfte und damit des vom Elektromotor 8 bereitgestellten Drehmoments vom Außenraum in den Innenraum des Strahlergehäuses 2 gegeben ist. Abweichend von der vereinfachten Darstellung nach 2 ist der Wandungsabschnitt 18 nicht notwendigerweise als flache Scheibe ausgebildet. Vielmehr kann der Wandungsabschnitt 18 beispielsweise topfförmig gestaltet sein, um eine große Oberfläche bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit bereitzustellen. Zur Herstellung des Wandungsabschnitts 18 ist, abhängig unter anderem von dessen Form und Dimensionierung, beispielsweise Aluminiumblech, Glas oder ein faserverstärkter Kunststoff geeignet. Das Material des Wandungsabschnitts 18 unterscheidet sich nicht notwendigerweise vom übrigen Material des Strahlergehäuses 2.
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In jedem Fall ist das Strahlergehäuse 2 des Drehkolben-Röntgenstrahlers 101 einschließlich des Wandungsabschnitts 18 hermetisch dicht, das heißt insbesondere ohne jegliche dynamische Dichtungen, ausgebildet. Damit eignet sich der Drehkolben-Röntgenstrahler 101 sowohl für den Betrieb bei hohen Drehzahlen der Röntgenröhre 3 als auch für einen hohen Überdruck im Strahlergehäuse 2. Der Drehkolben-Röntgenstrahler 101 wird mit Hochspannung von beispielsweise 80 kV betrieben.
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Bei jedem der Kupplungsteile 16, 17 wechseln sich, stirnseitig betrachtet (3), jeweils ein magnetischer Nordpol und ein magnetischer Südpol ab. Zwischen den stets voneinander beabstandeten Kupplungsteilen 16, 17 sind somit verschiedene Rastpositionen möglich (im Beispiel nach 3 acht unterschiedliche Winkelstellungen). Sollte die Magnetkupplung 15 durch Überlast durchrutschen, so rastet sie bei der nächsten Rastposition wieder ein.
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Das äußere Kupplungsteil 16 ist von dem Wandungsabschnitt 18 durch einen Luftspalt, das innere Kupplungsteil 17 durch einen Ölfilm getrennt. In beiden Fällen sind einzelne Permanentmagnete 19 bündig in die Oberfläche des jeweiligen Kupplungsteils 16, 17 eingelassen. Jedes Kupplungsteil 16, 17 ist rotationssymmetrisch in Form einer Scheibe ausgebildet, wobei das innere Kupplungsteil 17 im Vergleich zum äußeren Kupplungsteil 16 in axialer Richtung – bezogen auf die gemeinsame Rotationsachse der Röntgenröhre 3 sowie des Rotors 10 des Elektromotors 8 – wesentlich dicker ist als das äußere Kupplungsteil 16. Vorzugsweise ist das innere Kupplungsteil 17 mindestens doppelt so dick wie das äußere Kupplungsteil 16, bei welchem elektrische Isolationseigenschaften keine besondere Rolle spielen. Wie in 2 symbolisiert angedeutet, kann das äußere Kupplungsteil 16 als integraler Bestandteil des Elektromotors 8 von dessen Gehäuse 20 umfasst sein, wobei das Gehäuse 20 des Elektromotors 8 direkt an der Außenseite des Strahlergehäuses 2 angeordnet, insbesondere an diesem befestigt, ist. Abweichend hiervon kann jedoch auch ein axialer Abstand zwischen dem Elektromotor 8 und dem äußeren Kupplungsteil 16 gegeben sein. In beiden Fällen wird die Rotation des Rotors 10 des Elektromotors 8 ohne Übersetzung an die Röntgenröhre 3 übertragen.
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Als Werkstoff des inneren Kupplungsteils 17 wird ein Material, insbesondere ein Kunststoff oder ein keramisches Material, mit ausreichender Temperaturbeständigkeit und sehr guter elektrischer Isolationswirkung verwendet. Das innere Kupplungsteil 17 fungiert somit nicht nur als Teil der Magnetkupplung 15, sondern zugleich auch als Isolationskupplung 14. Eine gesonderte Isolationskupplung, wie in der Bauform nach 1 vorgesehen, entfällt somit bei der Ausführungsform gemäß 2 und 3. Vorzugsweise ist das innere Kupplungsteil 17, abgesehen von den Permanentmagneten, bei welchen es sich beispielsweise um Seltenerdmagnete handelt, aus Kunststoff, zum Beispiel Polyetheretherketon (PEEK) oder einem sonstigen Polyaryletherketon (PAEK), gefertigt.
