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Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahler mit einer Drehkolben-Röntgenröhre, die mittels einer Welle in einem mit einem Kühl- und Isolationsmedium gefüllten Strahlergehäuse drehbar gelagert ist, und mit einer Antriebsvorrichtung, die über die Welle mit der Drehkolben-Röntgenröhre gekoppelt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Röntgenstrahlers mit einer Drehkolben-Röntgenröhre.
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Ein Röntgenstrahler der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 056 110 A1 bekannt. In diesem Röntgenstrahler ist eine ein Vakuumgehäuse aufweisende Drehkolben-Röntgenröhre rotierbar gelagert. Ein derartiger Röntgenstrahler wird deshalb auch als Drehkolben-Röntgenstrahler bezeichnet. Die Drehkolben-Röntgenröhre enthält eine mit dem Vakuumgehäuse fest verbundene Drehanode sowie eine Elektronen emittierende Kathode. Die Drehkolben-Röntgenröhre ist mittels einer nicht näher beschriebenen Antriebsvorrichtung angetrieben, die mit einer mit der Drehkolben-Röntgenröhre verbundenen Welle mechanisch gekoppelt ist.
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Aus der
US 6,570,960 B1 und der
DE 41 08 591 A1 sind jeweils Röntgenstrahler mit einer Drehanode bekannt. Zwischen der Drehanode und einem Elektromotor, der die Drehanode in Rotation versetzt, ist jeweils eine Magnetkupplung angeordnet. Im Fall der
US 6,570,960 B1 ist der Elektromotor gegenüber der Drehanode durch eine Isoliermaterial enthaltende Scheibe elektrisch isoliert. Die aus der
DE 41 08 591 A1 bekannte Magnetkupplung umfasst ein äußeres ferromagnetisches Teil und ein inneres ferromagnetisches Teil, das im Vakuumgehäuse gelagert ist. Das äußere Teil weist eine magnetische Anordnung mit mehreren Polschuhen auf. Das innere Teil ist als ferromagnetisches Joch ausgebildet und weist mehrere Pole auf, die den Polschuhen zugeordnet sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Röntgenstrahler der eingangs genannten Art weiterzuentwickeln, insbesondere im Hinblick auf höhere Drehzahlen und/oder auf höhere Drücke des Kühl- und Isolationsmediums im Strahlergehäuse.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Röntgenstrahler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteihafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Der Röntgenstrahler gemäß Anspruch 1 umfasst eine Drehkolben-Röntgenröhre, die mittels einer Welle in einem mit einem Kühl- und Isolationsmedium gefüllten Strahlergehäuse drehbar gelagert ist, und eine Antriebsvorrichtung, die über die Welle mit der Drehkolben-Röntgenröhre gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist das Strahlergehäuse hermetisch dicht ausgebildet und die Antriebsvorrichtung umfasst eine vorgebbare Zahl von Permanentmagneten sowie dazu korrespondierende Elektromagnete, wobei die Permanentmagnete innerhalb des Strahlergehäuses und in ihrer Polarität wechselnd ringförmig um die Welle angeordnet sind und die Elektromagnete an einer Außenseite des Strahlergehäuses angeordnet und von einer Steuer- und Regeleinheit derart ansteuerbar sind, dass sich ein rotierendes Wechselfeld aufbaut.
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Als Kühl- und Isolationsmedium ist z. B. Isolationsöl oder Schwefelhexafluorid (SF6) geeignet. Auch andere flüssige oder gasförmige Kühl- und Isolationsmedien können zur Kühlung der Drehkolben-Röntgenröhre sowie zur Isolation der Drehkolben-Röntgenröhre gegenüber dem auf Erdpotential liegenden Strahlergehäuse dienen.
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Die bei dem Röntgenstrahler nach Anspruch 1 erfindungsgemäß vorgesehene Antriebsvorrichtung bildet aufgrund ihres Aufbaus (Permanentmagnete innerhalb und Elektromagnete außerhalb des Strahlergehäuses) eine Magnetkupplung und wirkt für die Drehkolben-Röntgenröhre als Direktantrieb, also als getriebeloser Antrieb.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung zur Drehmomentübertragung bei dem Röntgenstrahler nach Anspruch 1 liegt primär darin, das Strahlergehäuse ohne Wellendurchführung zu gestalten, wodurch problemlos ein hermetisch dichtes Strahlergehäuse realisierbar ist.
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Weiterhin ist die Tatsache von Vorteil, dass der Antrieb über die Magnetkupplung im Vergleich zu herkömmlichen Antrieben besonders tolerant gegenüber Winkelfehlern ist. Auch ein aufgrund von Montagetoleranzen möglicherweise auftretender geringer Parallelversatz zwischen den Permanentmagneten innerhalb und den Elektromagneten außerhalb des Strahlergehäuses führt beim Antrieb der Drehkolben-Röntgenröhre zu keinen Problemen.
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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 Kühl- und Isolationsmediums von beispielsweise über 5 bar (500 kPa) realisierbar, wobei Undichtigkeiten des Strahlergehäuses im Bereich der Antriebsvorrichtung konstruktionsbedingt ausgeschlossen sind.
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Die zur Drehmomentübertragung auf die Röntgenröhre vorgesehene Magnetkupplung weist vorzugsweise mit Permanentmagneten bestückte Kupplungselemente auf. Als Magnete sind z. B. Samarium-Cobalt-Magnete (Anspruch 2) oder Neodym-Eisen-Bor-Magnete (Anspruch 3) geeignet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Röntgenstrahlers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Welle und die Antriebsvorrichtung über eine innerhalb des Strahlergehäuses angeordnete Isolationskupplung miteinander gekoppelt sind, wobei die Permanentmagnete der Antriebsvorrichtung in der Isolationskupplung gehalten sind (Anspruch 4).
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Das Isolierelement ist hierbei vorzugsweise zumindest teilweise aus Kunststoff gefertigt (Anspruch 5), insbesondere aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff (Anspruch 6), z. B. einem Polyaryletherketon (PAEK) wie Polyetheretherketon (PEEK).
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Röntgenstrahlers weist das Strahlergehäuse im Bereich der Permanentmagnete und der Elektromagnete einen Wandungsabschnitt aus einem nicht-magnetischen Metall, beispielsweise Aluminium, auf (Anspruch 7).
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Nach einer zur vorgenannten Ausgestaltung alternativen Ausführungsform besitzt das Strahlergehäuse im Bereich der Permanentmagnete und der Elektromagnete einen Wandungsabschnitt aus einem faserverstärkten Kunststoff (Anspruch 8). Ein derartiger Kunststoff ist, insbesondere bei einer Verstärkung mit Kohlenstofffasern, mechanisch und thermisch ausreichend stabil.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im Folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers,
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2 eine Draufsicht des im Strahlergehäuse angeordneten Teils einer Antriebsvorrichtung des Röntgenstrahlers nach 1,
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3 eine Draufsicht des an der Stirnseite des Strahlergehäuses angeordneten Teils einer Antriebsvorrichtung des Röntgenstrahlers nach 1.
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In
1 ist mit
1 ein Röntgenstrahler bezeichnet, der z. B. aus der eingangs genannten
DE 10 2004 056 110 A1 bekannt ist.
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Der Röntgenstrahler 1 umfasst ein mit Isolieröl (Kühl- und Isoliermedium) gefülltes Strahlergehäuse 2. Im Strahlergehäuse 2 ist eine Drehkolben-Röntgenröhre 3 mittels einer Welle 4 drehbar gelagert.
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Eine innerhalb der evakuierten Drehkolben-Röntgenröhre 3 angeordnete, nicht dargestellte Kathode (in der Anordnung nach 1 im linken Bereich der Röntgenröhre 3) emittiert Elektronen, die über eine Hochspannung, welche zwischen der Kathode und einer Anode 5 anliegt, auf die gewünschte Primärenergie beschleunigt und durch ein Ablenksystem 6 in ihrer Flugbahn beeinflusst werden. Die Drehkolben-Röntgenröhre wird beispielsweise mit einer Hochspannung von 70 kV gegenüber dem auf Erdpotential liegenden Strahlergehäuse 2 betrieben.
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Beim Auftreffen der Elektronen auf das Material der Anode 5 im Aufenthaltsbereich des Brennflecks wird durch die Wechselwirkung der Elektronen mit den Atomkernen des Anodenmaterials die kinetische Energie der Elektronen teilweise (etwa 1%) in Röntgenstrahlung umgesetzt. Der weitaus größte Teil der Energie ist in Form von Wärme von der Drehkolben-Röntgenröhre 3 abzuführen. Dies geschieht mit Hilfe des im Strahlergehäuse 2 befindlichen Isolieröls.
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Die Welle 4, welche die Drehkolben-Röntgenröhre 3 trägt, ist durch zwei Lager 7 und 8, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Kugellager ausgebildet sind, drehbar gelagert. Die Welle 4 ist weiterhin mit einer Antriebsvorrichtung 9 gekoppelt, wodurch die Welle 4 und damit die Drehkolben-Röntgenröhre 3 in Rotation versetzbar ist.
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Bei dem in 1 dargestellten Röntgenstrahler 1 umfasst die Antriebsvorrichtung 9 erfindungsgemäß eine vorgebbare Zahl von Permanentmagneten 10 sowie dazu korrespondierende Elektromagnete 11. Die die Permanentmagnete 10 sind hierbei innerhalb des Strahlergehäuses 2 und in ihrer Polarität wechselnd ringförmig um die Welle 4 angeordnet und bilden damit ein innen liegendes Teil 12 der Antriebsvorrichtung 9. Demgegenüber sind die Elektromagnete 11 an einer Außenseite des Strahlergehäuses 2 angeordnet und bilden damit ein außen liegendes Teil 13 der Antriebsvorrichtung 9. Die Antriebsvorrichtung 9 ist somit zweiteilig ausgeführt, wobei das innen liegende Teil 12 verdrehfest auf der drehbaren Welle 4 angeordnet ist und das außen liegende Teil 13 kraftschlüssig mit dem Strahlergehäuse verbunden ist. Die Elektromagnete 11 sind von einer in 1 nicht dargestellten Steuer- und Regeleinheit derart ansteuerbar, dass sich ein rotierendes Wechselfeld aufbaut. Das innen liegende Teil 12 mit den Permanentmagneten 10 wird dem Wechselfeld der im außen liegenden Teil 13 angeordneten Elektromagneten 11 folgen.
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Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers 1 sind die Permanentmagnete 10 der Antriebsvorrichtung 9 in einer Isolationskupplung 14 gehalten, die innerhalb des Strahlergehäuses 2 verdrehfest auf der Welle 4 befestigt ist. Damit ist die Welle 4 über die innerhalb des Strahlergehäuses 2 angeordneten Permanentmagnete 10 (innen liegendes Teil 12 der der Antriebsvorrichtung 9) mit den außerhalb des Strahlergehäuses angeordneten Elektromagneten 11 (außen liegendes Teil 13 der der Antriebsvorrichtung 9) magnetisch gekoppelt.
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Die Isolationskupplung 12 aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, z. B. einem Polyaryletherketon (PAEK), insbesondere Polyetheretherketon (PEEK), gefertigt. Auch andere hochtemperaturfeste Werkstoffe, beispielsweise keramische Materialien, sind hierfür geeignet.
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Das Strahlergehäuse 2 weist im Bereich der Permanentmagnete 10 und der Elektromagnete 11 einen nicht-magnetischen Wandungsabschnitt 13 auf. Der Wandungsabschnitt 13 kann beispielsweise aus einem nicht-magnetischen Metall oder einem faserverstärkten Kunststoff bestehen.
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Der Wandungsabschnitt 13 im Strahlergehäuse 2 ist derart ausgestaltet, dass sowohl die erforderliche Druckfestigkeit als auch die Übertragbarkeit der Magnetkräfte und damit des von den Elektromagneten 11 bereitgestellten Drehmoments vom Außenraum in den Innenraum des Strahlergehäuses 2 sichergestellt ist.
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Im dargestellten Fall wird dies durch einen scheibenförmigen Wandungsabschnitt 13 erzielt. Der Wandungsabschnitt kann jedoch beispielsweise auch topfförmig gestaltet sein, um eine große Oberfläche bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit bereitzustellen.
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Abhängig von konstruktiven Randbedingungen das Strahlergehäuse 2, kann der Wandungsabschnitt 13 z. B. aus Aluminium, Glas oder faserverstärktem Kunststoff gefertigt sein. Das Material des Wandungsabschnitts 13 unterscheidet sich nicht notwendigerweise von dem außerhalb des Wandungsabschnitts 13 verwendeten Material des Strahlergehäuses 2.
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Da die erfindungsgemäße Lösung keine abgedichtete Wellendurchführung für einen an die Welle angekoppelten Elektromotor, der beim Stand der Technik als Antriebsvorrichtung dient, aufweist, ist das komplette Strahlergehäuse 2 des Röntgenstrahlers 1 hermetisch dicht. Dynamische Dichtungen, wie sie für eine Wellendurchführung benötigt werden, entfallen somit bei der erfindungsgemäßen Lösung. Damit eignet sich der Röntgenstrahler 1 sowohl für den Betrieb bei hohen Drehzahlen der Röntgenröhre 3 als auch für einen hohen Überdruck im Strahlergehäuse 2.
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Bei dem innen liegenden Teil 12 der Antriebsvorrichtung 9 wechseln sich, stirnseitig betrachtet (2), bei den Permanentmagneten 10 jeweils ein magnetischer Nordpol und ein magnetischer Südpol ab. Zwischen den stets voneinander beabstandeten Teilen 12 und 13 der Antriebsvorrichtung 9 sind somit verschiedene Rastpositionen möglich.
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Das innen liegende Teil 12 der Antriebsvorrichtung 9 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel 16 Permanentmagnete auf (2) und das außen liegende Teil 13 umfasst 16 Elektromagnete 11 (3). Damit ergeben sich acht unterschiedliche Winkelstellungen. Sollte die Teile 12 und 13 der Antriebsvorrichtung 9 aufgrund von Überlast durchrutschen, so rasten sie bei der nächsten Rastposition wieder ein.
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Wie aus der Beschreibung des in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels ersichtlich ist, erlaubt es der erfindungsgemäße Röntgenstrahler 1, das für den Antrieb der Drehkolben-Röntgenröhre 3 erforderliche Drehmoment berührungslos von der Antriebsvorrichtung 9 auf die Drehkolben-Röntgenröhre 3 zu übertragen.
