DE102014015974A1

DE102014015974A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung von Überschlagsbedingten transienten elektrischen Signalen zwischen der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre sowie einer Hochspannungsquelle

Info

Publication number: DE102014015974A1
Application number: DE102014015974.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schmitt; Farid Aslami; Reinhard Friedemann; Florian Goellner
Original assignee: GE Sensing and Inspection Technologies GmbH
Current assignee: Baker Hughes Digital Solutions GmbH
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2034-11-01
Also published as: US20160126054A1; DE102014015974B4; US9831024B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung überschlagsbedingter Schäden einer Prüfanordnung (1), die eine Röntgenröhre (10) mit einer Beschleunigungsstrecke und eine Hochspannungsquelle (20) umfasst. Hierzu schlägt die Erfindung die Verwendung eines speziellen hochspannungsfesten Kabels (50) zur elektrisch leitenden Verbindung der Hochspannungsquelle (20) mit der Beschleunigungsstrecke vor. Das Kabel (50) weist einen Innenleiter (52), eine diesen umgebenden elektrischen Isolator (58) und eine Innenleiter (52) und Isolator (58) umgreifende Abschirmung (62) aus einem elektrisch leitfähigen Material. Weiterhin schlägt die Erfindung die Verwendung eines speziellen hochspannungsfesten Steckers (70) oder einer speziellen hochspannungsfesten Buchse (90) oder geeignete Kombinationen von Kabel (50), Stecker (70) und Buchse (90) oder einer hiermit ausgerüsteten Prüfanordnung (1) vor. Die Erfindung erlaubt die Verminderung überschlagsbedingter Schäden durch eine effektive Absorption der Energie von Hochspannungsentladungsbedingten Transienten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Hochspannungstechnik, insbesondere die Versorgung einer Röntgenröhre mit der zum Betrieb erforderlichen Hochspannung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung den Bereich der zerstörungsfreien Materialprüfung mittels Röntgenstrahlung, die insbesondere mittels Mikrofokus-Röntgenröhren erzeugt werden kann. Die Erfindung betrifft weiterhin insbesondere die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einer Hochspannungsquelle und der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre, insbesondere einer Mikrofokus-Röntgenröhre, zur Beaufschlagung der Beschleunigungsstrecke der Röntgenröhre mit der erforderlichen Beschleunigungsspannung, die im Bereich der Materialprüfung typisch zwischen 50 und 350 kV beträgt. Die Erfindung betrifft weiterhin insbesondere ein hochspannungsfestes Kabel zur Verbindung einer Hochspannungsquelle mit der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre, einen ebensolchen hochspannungsfesten Stecker sowie eine ebensolche hochspannungsfeste Buchse. Weiterhin betrifft sie eine hochspannungsfeste Stecker-Buchsen-Kombination, ein hochspannungsfestes Anschlusskabel sowie eine vorteilhafte Verwendung der vorgenannten Bauteile. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Prüfanordnung bestehend aus einer Röntgenröhre und einer Hochspannungsquelle sowie ein Verfahren zur Verminderung überschlagsbedingter Schäden beim Betrieb einer derartigen Anordnung.
Die Verwendung von Röntgenstrahlung für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung ist im Stand der Technik lange bekannt. Bei den zum Anmeldezeitpunkt gebräuchlichen Verfahren handelt es sich in der Regel um Durchstrahlungsverfahren, bei denen ein Schattenwurf des zu untersuchenden Prüflings erzeugt wird. Als Röntgenquelle dient der Auftreffpunkt eines hochenergetischen Elektronenstrahls auf einer Anode. Dieser Brennfleck stellt eine annähernd punktförmige Quelle für Röntgenstrahlung dar. Bei der Anode handelt es sich in der Regel um ein Target aus einem geeigneten Metall wie beispielsweise Kupfer oder Wolfram, welches gekühlt und ggf. auch beweglich, insbesondere drehbar, ausgebildet sein kann. In der Materialprüfung sind grundsätzlich zwei Typen von Röntgenröhren gebräuchlich. Zum einen werden vielfältig Drehanodenröhren eingesetzt, bei denen ein drehbar gelagerter Anodenteller in einem evakuierten und abgeschmolzenen Glasbehälter angeordnet ist. Aufgrund bislang unvermeidlicher mechanischer Toleranzen der Lagerung der Drehanode tritt bei der Drehung der Drehanode unvermeidlich eine Bewegung des Brennflecks auf die Drehanode auf. Diese Bewegung der Röntgenquelle relativ zum feststehenden Prüfling stellt eine wesentliche Limitierung des mittels einer solchen Drehanodenröhre erzielbaren Auflösungsvermögens dar.
Eine deutliche Verbesserung des Auflösungsvermögens kann erzielt werden mit sogenannten Mikrofokus-Röntgenröhren, die im Bereich der zerstörungsfreien Materialprüfung in den letzten Jahren Verbreitung gefunden haben. Mikrofokus-Röntgenröhren zeichnen sich in der Regel durch ein feststehendes Target aus, auf welchen ein hochfokussierter Elektronenstrahl auftrifft. Zur Fokussierung des Elektronenstrahls wird auf eine Elektronenoptik zurückgegriffen, wie sie aus dem Bereich der Elektronenmikroskopie bekannt ist. Aufgrund der hohen Fokussierung des Elektronenstrahls sowie der Tatsache, dass die Anode feststehend ist, ist es möglich, einen nahezu punktförmigen Brennfleck zu erzeugen, der in seiner Lage relativ zum Prüfling praktisch feststeht. Relevante Lageänderungen treten hier im Wesentlichen nur noch aufgrund von Vibrationen und insbesondere thermischer Drift der Röntgenprüfanlage auf.
Im Gegensatz zu Feinfokus-Drehanodenröntgenröhren sind Mikrofokus-Röntgenröhren in der Regel nicht in abgeschmolzenen evakuierten Glasbehältern untergebracht, sondern vielmehr in einem hochvakuumdichten Gehäuse angeordnet, das zu Wartungszwecken, beispielsweise zum Austausch des Anodenmaterials, geöffnet werden kann. Um eine solche Mikrofokus-Röntgenröhre nach der Öffnung des Hochvakuumgehäuses wieder in Betrieb nehmen zu können, ist die Wiederherstellung eines Hoch- bis Ultrahochvakuums erforderlich. Ein nicht ausreichendes Vakuum führt dazu, dass bei Anlegen der Hochspannung an die Beschleunigungsstrecke der Elektronenstrahlquelle Überschläge auftreten. Diese können weiterhin verursacht werden durch das Auftreten von Ablagerungen auf Oberflächen der stromführenden Teile, wie sie insbesondere nach dem Öffnen einer solchen Röntgenröhre unvermeidlich vorhanden sind. Aber auch im Betrieb einer Mikrofokus-Röntgenröhre treten in der Regel nach einer gewissen Betriebsdauer Ablagerungen auf Oberflächen stromführender Teile auf, die zum Auftreten von Überschlägen führen können. Zur Wiederinbetriebnahme einer Umgebungsbedingungen ausgesetzten Mikrofokus-Röntgenröhre ist daher das Durchlaufen eines aufwendigen Konditionierungsprozesses erforderlich, mittels welchem die stromführenden Oberflächen der Mikrofokus-Röntgenröhre von Verunreinigungen befreit und geglättet werden. Ähnliche Konditionierungsverfahren werden auch angewendet, wenn sich im laufenden Betrieb Ablagerungen gebildet haben, die zu Überschlägen führen.
In der Praxis wird beobachtet, dass die beschriebenen Überschläge zwischen Kathode und Anode der Röntgenröhre zu transienten Störsignalen führen können, die von der Röntgenröhre zur Hochspannungsquelle laufen können und sowohl die Hochspannungsquelle als auch zur Verbindung der Hochspannungsquelle mit der Röntgenröhre verwendete HV-Anschlusskabel schädigen können, da die transienten Störsignale sehr energiereich sein können. Diese Störsignale müssen bei der Auslegung der Hochspannungsquelle sowie der verwendeten HV-Anschlusskabel berücksichtigt werden, was zu erhöhten Kosten führt. Sie stellen in jedem Fall einen Einflussfaktor dar, der wesentlich ist für die Lebensdauer der eingesetzten Hochspannungsquelle sowie der elektrischen HV-Anschlusskabel.
In der Praxis versucht man daher, durch geeignete Auslegung der Röntgenröhre das Auftreten der vorgenannten Überschläge so weit wie möglich zu vermindern. Hierzu hat sich insbesondere eine Oberflächenbehandlung der stromführenden Teile der Röntgenröhre bewährt, bei der die Oberflächenrauigkeit beispielsweise durch Hochglanzpolieren der metallischen Teile soweit wie möglich herabgesetzt wird. In der Praxis hat sich dies jedoch als aufwendig herausgestellt, insbesondere kann es bei längerfristigem Betrieb einer solchen Röntgenröhre erforderlich sein, Oberflächen entsprechend nachzubearbeiten. Auch hat sich in der Praxis herausgestellt, dass eine solche Oberflächenbehandlung nicht geeignet ist, das Auftreten von Überschlägen grundsätzlich zu verhindern.
Hier setzt nun die Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, geeignete Maßnahmen anzugeben, um die verwendete Hochspannungsquelle sowie das zur Verbindung der Hochspannungsquelle mit der Röntgenröhre verwendete HV-Anschlusskabel effektiv vor Schädigung durch überschlagsbedingte transiente Störsignale zu verhindern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein hochspannungsfestes Kabel gemäß Anspruch 1, durch einen hochspannungsfesten Stecker gemäß Anspruch 2, eine hochspannungsfeste Buchse gemäß Anspruch 3, eine hochspannungsfeste Stecker-Buchsen-Kombination gemäß Anspruch 4, ein hochspannungsfestes Anschlusskabel gemäß Anspruch 5 sowie eine vorteilhafte Verwendung der vorgenannten Bauteile gemäß Anspruch 13. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch eine Anordnung gemäß Anspruch 14 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 15.
Ein erfindungsgemäßes hochspannungsfestes Kabel ist zur Verbindung einer Hochspannungsquelle mit der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre, insbesondere einer offenen Mikrofokus-Röntgenröhre vorgesehen. Das Kabel weist einen ggf. mehradrigen Innenleiter auf, der von einem elektrischen Isolator umgeben ist. Bei dem Isolator handelt es sich um ein durchschlagfestes Dielektrikum, wobei sich die Verwendung von EPR bewährt hat. Insbesondere kann der elektrische Isolator einen mehrschichtigen Aufbau umfassen, beispielsweise aus einer innenliegenden Lage aus halbleitendem EPR, einer Zwischenlage aus elektrisch isolierendem EPR und einer außenliegenden Decklage, die wiederum aus halbleitendem EPR bestehen kann. Weiterhin weist das Kabel eine den Innenleiter und Isolator umgreifende Abschirmung auf, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Sowohl für den Innenleiter als auch für die Abschirmung hat sich die Verwendung einer Legierung bestehend aus den Bestandteilen Kupfer und Zinn bewährt.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das Kabel weiterhin ein Absorberelement umfasst, welches zur Absorption der Energie von hochspannungsentladungsbedingten Transienten geeignet ist.
Es hat sich herausgestellt, dass ein Absorberelement mit vorteilhaften Dämpfungseigenschaften aus einem weichmagnetischen Material gefertigt werden kann. Die Eigenschaften eines solchen Absorberelements sind in Bezug auf das erfindungsgemäß zu lösende Problem besonders vorteilhaft, wenn die Permeabilität des weichmagnetischen Materials über 50, bevorzugt über 500 und besonders bevorzugt über 1.000 beträgt. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Permeabilität im Bereich von 10.000 liegt.
Als geeignete weichmagnetische Materialien haben sich insbesondere Eisen in einer ferromagnetischen Kristallstruktur, Kobalt, Legierungen umfassend die Bestandteile Nickel und Eisen, ferritische Werkstoffe, amorphe Metalle, nanokristalline Metalle sowie Ferrofluide erwiesen. In der Regel wird das für das Absorberelement verwendete weichmagnetische Material in einer festen Phase vorliegen, möglich ist jedoch auch die Verwendung eines Materials, welches in einer flüssigen/fluiden Phase vorliegt. Hierfür sind Ferrofluide beispielhaft zu nennen. Die Verwendung eines Absorbermaterials in flüssiger Phase kann Vorteile aufweisen, sofern komplexe Geometrien des Absorberelements realisiert werden müssen.
Um eine möglichst hohe Absorption der Energie der hochspannungsentladungsbedingten Transienten zu realisieren, ist es vorteilhaft, wenn das Absorberelement einen hohen Dämpfungsfaktor für die auftretenden Transienten aufweist. Hierbei spielen sowohl das Material als auch die Geometrie des Absorberelements eine Rolle. Als vorteilhaft hat sich beispielsweise eine Toroidartige Geometrie des Absorberelements erwiesen. Weiterhin haben sich auch hier ferritische Werkstoffe bewährt, die in einer Konfiguration hergestellt werden können, in der sie bei hohen Frequenzen, die im vorliegenden Fall typisch 1 MHz und darüber betragen, einen hohen Dämpfungsfaktor aufweisen.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Induktivität des Absorberelements mindestens 1 μH und bevorzugt mindestens 10 μH beträgt. Die Induktivität kann dabei vorteilhaft an die Frequenzen der in der Praxis beobachteten Transienten angepasst gewählt werden, um eine möglichst hohe Absorptionseffizienz sicherzustellen.
Um eine möglichst hohe Absorption der Energie der hochspannungsentladungsbedingten Transienten zu realisieren, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das Absorberelement den Innenleiter ringförmig umschließt. Vorteilhaft ist der Ring magnetisch geschlossen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Absorberelement sowohl den Innenleiter als auch den Isolator ringförmig. Besonders bevorzugt weist der Isolator einen runden Querschnitt auf, in dessen Zentrum der Innenleiter angeordnet ist, und das Absorberelement umschließt den Isolator ringförmig. Dabei ergibt sich eine besonders hohe Absorptionseffizienz des erfindungsgemäßen Absorberelements, wenn die Spaltweite zwischen der Innenfläche des Absorberelements und die Außenfläche des Isolators kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner ist als 0,5 mm und insbesondere kleiner ist als 0,1 mm. Auch ein Klemmsitz des ringförmigen Absorbers auf der beispielsweise zylindrischen oder ggf. auch konischen Außenfläche des Isolators hat sich als vorteilhaft bewährt. Grundsätzlich sind jedoch auch größere als die vorstehend genannten Spaltweiten möglich.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Materialeigenschaften des Absorberelements (Permeabilität, Induktivität) an die spezifische Geometrie des Absorberelements angepasst zu wählen.
Im Rahmen der praktischen Erprobung des erfindungsgemäßen Kabels hat sich herausgestellt, dass sich eine besonders hohe Effizienz des Absorberelements ergibt, wenn dieses zwischen Innenleiter und Abschirmung angeordnet ist.
Als ebenfalls Vorteilhaft hat sich ein Absorberelement erwiesen, welches aus einer Ummantelung des Isolators mitsamt des innenliegenden Innenleiters besteht. Diese Ummantelung umfasst ein Material mit hoher Permeabilität, z. B. Eisen. Die Ummantelung ist so auszuführen, dass die Ummantelung einen hohen Dämpfungsfaktor für die auf dem Innenleiter auftretenden entladungsbedingten Transienten aufweist. Hierzu kann sie z. B. so ausgeführt sein, dass sie eine Induktivität im vorstehend genannten Bereich aufweist. Vorteilhaft erstreckt sich die Ummantelung dabei über eine Länge von zumindest einigen Zentimetern, bevorzugt aber über im Wesentlichen die gesamte Länge des Kabels. Die Ummantelung kann z. B. aus zumindest einem, ggf. aber auch mehreren Drähten bestehen, die spulenartig auf den Außenumfang des Isolators aufgewickelt sind. Anstelle von Drähten können vorteilhaft auch dünne Streifen eines geeigneten Materials zum Umwickeln verwendet werden.
Ein erfindungsgemäßer hochspannungsfester Stecker ist ebenfalls zur Verbindung einer Hochspannungsquelle mit der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre, insbesondere einer offenen Mikrofokus-Röntgenröhre vorgesehen. Der Stecker weist einen ggf. mehradrigen Innenleiter auf, der von einem elektrischen Isolator umgeben ist. Bei dem Isolator handelt es sich um ein durchschlagfestes Dielektrikum, wobei sich die Verwendung von EPR bewährt hat.
Weiterhin weist der Stecker eine den Innenleiter und Isolator auf einer bestimmten Länge umgreifende Abschirmung auf, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Dabei kann die Abschirmung beispielsweise als Metallhülse ausgebildet sein, die auf die Außenfläche des Isolators aufgeschoben ist. Eine solche Metallhülse kann einstückig mit einem Befestigungsflansch zur Anbindung eine komplementär ausgebildete Buchse oder ein Gerätegehäuse verbunden sein, oder ein separat ausgebildeter Befestigungsflansch kann auf geeignete Weise mit der Metallhülse mechanisch verbunden sein, z. B. durch Verschraubung. Die Abschirmung kann insbesondere dazu vorgesehen sein, mit der elektrisch leitfähigen Abschirmung eines Kabels, dessen Innenleiter mit dem Innenleiter des Steckers elektrisch leitend verbunden ist, mechanisch und elektrisch leitend verbunden zu werden.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Stecker weiterhin ein Absorberelement umfasst, welches zur Absorption der Energie von hochspannungsentladungsbedingten Transienten geeignet ist.
Es hat sich auch hier herausgestellt, dass ein Absorberelement mit vorteilhaften Dämpfungseigenschaften aus einem weichmagnetischen Material gefertigt werden kann. Die Eigenschaften eines solchen Absorberelements sind in Bezug auf das erfindungsgemäß zu lösende Problem besonders vorteilhaft, wenn die Permeabilität des weichmagnetischen Materials über 50, bevorzugt über 500 und besonders bevorzugt über 1000 beträgt.
Als geeignete weichmagnetische Materialien haben sich wiederum insbesondere Eisen in einer ferromagnetischen Kristallstruktur, Kobalt, Legierungen umfassen die Bestandteile Nickel und Eisen, ferritische Werkstoffe, amorphe Metalle, nanokristalline Metalle sowie Ferrofluide erwiesen. In der Regel wird das für das Absorberelement verwendete weichmagnetische Material in einer festen Phase vorliegen, möglich ist jedoch auch die Verwendung eines Materials, welches in einer flüssigen/fluiden Phase vorliegt. Hierfür sind Ferrofluide beispielhaft zu nennen. Die Verwendung eines Absorbermaterials in flüssiger Phase kann Vorteile aufweisen, sofern komplexe Geometrien des Absorberelements realisiert werden müssen.
Um eine möglichst hohe Absorption der Energie der hochspannungsentladungsbedingten Transienten zu realisieren ist es vorteilhaft, wenn das Absorberelement den Innenleiter ringförmig umschließt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Absorberelement sowohl den Innenleiter als auch den Isolator ringförmig. Besonders bevorzugt weist der Isolator einen runden Querschnitt auf, in dessen Zentrum der Innenleiter angeordnet ist, und das Absorberelement umschließt den Isolator ringförmig. Dabei ergibt sich eine besonders hohe Absorptionseffizienz des erfindungsgemäßen Absorberelements, wenn die Spaltweite zwischen der Innenfläche des Absorberelements und die Außenfläche des Isolators kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner ist als 0,5 mm und insbesondere kleiner ist als 0,1 mm. Auch ein Klemmsitz des ringförmigen Absorbers auf der beispielsweise zylindrischen oder ggf. auch konischen Außenfläche des Isolators hat sich als vorteilhaft bewährt.
Im Rahmen der praktischen Erprobung des erfindungsgemäßen Steckers hat sich wiederum herausgestellt, dass sich eine besonders hohe Effizienz des Absorberelements ergibt, wenn dieses zwischen Innenleiter und Abschirmung angeordnet ist.
Eine erfindungsgemäße hochspannungsfeste Buchse ist zur wiederum Verbindung einer Hochspannungsquelle mit der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre, insbesondere einer offenen Mikrofokus-Röntgenröhre vorgesehen. Die Buchse weist einen ggf. mehradrigen Innenleiter auf, der von einem elektrischen Isolator umgeben ist. Bei dem Isolator handelt es sich um ein durchschlagfestes Dielektrikum, wobei sich die Verwendung von EPR bewährt hat. Der Isolator kann dabei insbesondere eine zylindrische, ggf. konische Innenausnehmung zur Aufnahme eines komplementären Steckers aufweisen, an deren Ende der Innenleiter angeordnet ist.
Weiterhin weist die Buchse eine zumindest den Isolator, ggf. aber auch den Innenleiter auf einer bestimmten Länge umgreifende Abschirmung auf, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Dabei kann die Abschirmung beispielsweise als Metallhülse ausgebildet sein, die auf die Außenfläche des Isolators aufgeschoben ist. Eine solche Metallhülse kann einstückig mit einem Befestigungsflansch zur Anbindung einen komplementär ausgebildeten Stecker und/oder an ein Gerätegehäuse verbunden sein, oder ein separat ausgebildeter Befestigungsflansch kann auf geeignete Weise mit der Metallhülse mechanisch verbunden sein, z. B. durch Verschraubung. Die Abschirmung kann insbesondere dazu vorgesehen sein, mit einem elektrisch leitfähig ausgebildeten Gerätegehäuse mechanisch und elektrisch leitend verbunden zu werden.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Buchse weiterhin ein Absorberelement umfasst, welches zur Absorption der Energie von hochspannungsentladungsbedingten Transienten geeignet ist.
Es hat sich erneut herausgestellt, dass ein Absorberelement mit vorteilhaften Dämpfungseigenschaften aus einem weichmagnetischen Material gefertigt werden kann. Die Eigenschaften eines solchen Absorberelements sind in Bezug auf das erfindungsgemäß zu lösende Problem besonders vorteilhaft, wenn die Permeabilität des weichmagnetischen Materials über 50, bevorzugt über 500 und besonders bevorzugt über 1000 beträgt.
Als geeignete weichmagnetische Materialien haben sich wiederum insbesondere Eisen in einer ferromagnetischen Kristallstruktur, Kobalt, Legierungen umfassen die Bestandteile Nickel und Eisen, ferritische Werkstoffe, amorphe Metalle, nanokristalline Metalle sowie Ferrofluide erwiesen. In der Regel wird das für das Absorberelement verwendete weichmagnetische Material in einer festen Phase vorliegen, möglich ist jedoch auch die Verwendung eines Materials, welches in einer flüssigen/fluiden Phase vorliegt. Hierfür sind Ferrofluide beispielhaft zu nennen. Die Verwendung eines Absorbermaterials in flüssiger Phase kann Vorteile aufweisen, sofern komplexe Geometrien des Absorberelements realisiert werden müssen.
Um eine möglichst hohe Absorption der Energie der hochspannungsentladungsbedingten Transienten zu realisieren ist es vorteilhaft, wenn das Absorberelement den Innenleiter ringförmig umschließt, oder so angeordnet ist, dass der Innenleiter eines von der Buchse aufgenommenen Steckers ringförmig umschließt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Absorberelement sowohl den Innenleiter als auch den Isolator ringförmig. Besonders bevorzugt weist der Isolator einen runden Querschnitt auf, in dessen Zentrum der Innenleiter angeordnet ist, und das Absorberelement umschließt den Isolator ringförmig. Dabei ergibt sich eine besonders hohe Absorptionseffizienz des erfindungsgemäßen Absorberelements, wenn die Spaltweite zwischen der Innenfläche des Absorberelements und die Außenfläche des Isolators kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner ist als 0,5 mm und insbesondere kleiner ist als 0,1 mm. Auch ein Klemmsitz des ringförmigen Absorbers auf der beispielsweise zylindrischen oder ggf. auch konischen Außenfläche des Isolators hat sich als vorteilhaft bewährt.
Im Rahmen der praktischen Erprobung der erfindungsgemäßen Buchse hat sich herausgestellt, dass sich eine besonders hohe Effizienz des Absorberelements ergibt, wenn dieses zwischen Innenleiter und Abschirmung angeordnet ist, wobei als Abschirmung in diesem Zusammenhang auch ein mit der Abschirmung der Buchse elektrisch leitend verbundenes elektrisch leitfähiges Gehäuse anzusehen ist.
Bezüglich vorteilhafter Wahl von Material und Geometrie des Absorberelements für eine erfindungsgemäße Buchse oder einen erfindungsgemäßen Stecker wird auf die diesbezüglichen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kabel verwiesen.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine hochspannungsfeste Stecker-Buchsen-Kombination, die eine hohe Dämpfung für hochspannungsentladungsbedingte Transienten aufweist, wobei diese Stecker-Buchsen-Kombination zur Ausbildung einer elektrischen Steckverbindung einer Hochspannungsquelle mit der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre vorgesehen ist. Dabei umfasst die hochspannungsfeste Stecker-Buchsen-Kombination einen Stecker gemäß Anspruch 2 oder eine Buchse gemäß Anspruch 3 oder beides.
Das weiterhin von der vorliegenden Erfindung umfasste hochspannungsfeste Anschlusskabel weist ebenfalls eine hohe Transientendämpfung auf und ist zur Ausbildung einer elektrischen Steckverbindung einer Hochspannungsquelle mit der Beschleunigungsstrecke mit einer Röntgenröhre vorgesehen. Das HV-Anschlusskabel umfasst dabei ein hochspannungsfestes Kabel sowie einen hochspannungsfesten Stecker oder eine hochspannungsfeste Buchse, wobei es sich bei dem hochspannungsfesten Kabel um ein Kabel gemäß Anspruch 1, bei dem hochspannungsfesten Stecker um einen Stecker gemäß Anspruch 2 und bei der hochspannungsfesten Buchse um eine Buchse gemäß Anspruch 3 handeln kann und zumindest eines der vorgenannten Bauteile gemäß den Ansprüchen 1, 2 oder 3 ausgebildet ist.
In der Praxis ergibt sich eine sehr gute Transientendämpfung und damit eine effektive Verminderung der Gefahr von Beschädigung von Hochspannungskabel und Hochspannungsquelle, wenn zur Verbindung der Hochspannungsquelle mit der Beschleunigungsstrecke der Röntgenröhre ein hochspannungsfestes Kabel gemäß Anspruch 1 oder ein hochspannungsfester Stecker gemäß Anspruch 2 oder eine hochspannungsfeste Buchse gemäß Anspruch 3 oder eine hochspannungsfeste Stecker-Buchsen-Kombination gemäß Anspruch 4 oder ein hochspannungsfestes Anschlusskabel gemäß Anspruch 5 verwendet wird. Eine solche Verwendung macht es möglich, auf das sehr aufwendige Hochglanzpolieren der stromführenden Teile der Röntgenröhre zu verzichten, da sich die beim Konditionieren der Röntgenröhre auftretenden Hochspannungsentladungen nicht länger schädigend auf das HV-Anschlusskabel sowie die Hochspannungsquelle auswirken. Entsprechend wird ebenfalls Schutz beansprucht für eine Anordnung bestehend aus einer Röntgenröhre mit einer Beschleunigungsstrecke sowie einer Hochspannungsquelle, wobei ein HV-Anschlusskabel zur elektrisch leitenden Verbindung von Hochspannungsquelle und Beschleunigungsstrecke vorgesehen ist, welches Anspruch 5 entspricht.
Ein erfindungsgemäßes Verfahrens zur Verminderung überschlagsbedingter Schäden einer Anordnung bestehend aus einer Röntgenröhre mit einer Beschleunigungstrecke und einer Hochspannungsquelle umfasst einen Verfahrensschritt, in dem die Beschleunigungsstrecke über ein hochspannungsfestes Anschlusskabel gemäß Anspruch 5 der Hochspannungsquelle elektrisch verbunden wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass die vorstehend sowie in den Ansprüchen genannten Merkmale, die sich auf ein erfindungsgemäßes Kabel, einen erfindungsgemäßen Stecker, eine erfindungsgemäße Buchse, eine erfindungsgemäße Stecker-Buchsen-Kombination, ein erfindungsgemäßes HV-Anschlusskabel, sowie eine erfindungsgemäße Anordnung beziehen jeweils auch zur Weiterbildung anderer erfindungsgemäßer Gegenstände herangezogen werden können, ggf. auch über die Kategorien Vorrichtung und Verfahren hinweg.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches dem Fachmann zur Verdeutlichung der Erfindung dient und nicht einschränkend zu verstehen ist. Das Ausführungsbeispiel wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Prüfanordnung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Röntgenstrahlung,
2: eine Schnittdarstellung eines für ein erfindungsgemäßes HV-Anschlusskabel verwendetes hochspannungsfestes Kabel,
3: eine Teilschnittdarstellung eines für ein erfindungsgemäßes HV-Anschlusskabel verwendetes hochspannungsfesten Steckers,
4: eine Teilschnittdarstellung einer für ein erfindungsgemäßes HV-Anschlusskabel verwendeten hochspannungsfesten Buchse,
5: eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Dämpfungskörpers,
6: eine Teilschnittdarstellung einer für ein erfindungsgemäßes HV-Anschlusskabel verwendeten hochspannungsfesten Stecker-Buchsen-Kombination,
7: die Häufigkeitsverteilung der beim Konfektionieren einer belüfteten Mikrofokus-Röntgenröhre beobachteten Überschläge in Abhängigkeit von der Überschlagsspannung sowie der Stärke der beobachteten transienten Oszillationen auf dem Innenleiter eines HV-Anschlusskabels zwischen Hochspannungsquelle und Röntgenröhre gemäß Stand der Technik,
8: wie 7 unter Verwendung eines erfindungsgemäßen HV-Anschlusskabels mit einem Dämpfungskörper aus ferromagnetischem Eisen,
9: wie 7 unter Verwendung eines erfindungsgemäßen HV-Anschlusskabels mit einem Dämpfungskörper aus einem ferritischen Werkstoff, und
10: den zeitlichen Verlauf der Leistung auf einem HV-Anschlusskabel zwischen einer Hochspannungsquelle 10 und einer Mikrofokus-Röntgenröhre 20 unmittelbar nach Auftreten eines Überschlags
1 zeigt eine Prüfanordnung 1 zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Röntgenstrahlung. Die Anordnung umfasst eine Mikrofokus-Röntgenröhre 10 mit einer Beschleunigungsstrecke sowie eine separat von der Röntgenröhre ausgebildete Hochspannungsquelle 20. Weiterhin umfasst die Prüfanordnung 1 ein hochspannungsfestes HV-Anschlusskabel 40 zur elektrischen Verbindung der Beschleunigungsstrecke mit der Hochspannungsquelle.
Das HV-Anschlusskabel 40 umfasst ein hochspannungsfestes Kabel 50 gemäß 2 mit einem Innenleiter 52, einem diesen umgebenden elektrischen Isolator 58 und einer Innenleiter 52 und Isolator 58 umgreifenden Abschirmung 62 aus einem elektrisch leitfähigen Material.
Der Innenleiter 52 und die Abschirmung 62 bestehen aus einer Legierung aus Cu und Sn, wobei der Innenleiter 52 dreiadrig ausgebildet ist. Die drei Adern 54 des Innenleiters 52 sind eingebettet in einen Mantel 56 aus halbleitendem ERP.
Der Mantel 56 seinerseits ist umgeben von einem elektrischen Isolator 58 mit rundem Querschnitt, der aus nichtleitendem ERP besteht. An seiner außenliegenden Oberfläche ist der Isolator 58 mit einer dünnen Mantelschicht 60 aus halbleitendem ERP bedeckt, auf der wiederum die elektrisch leitfähige Abschirmung 62 angeordnet ist. Außenliegend ist die Anordnung aus Innenleiter 52, Isolator 58 und Abschirmung 62 von einem Kabelmantel 64 aus PVC umhüllt.
An seinen beiden Enden ist das HV-Anschlusskabel 40 mit einem hochspannungsfesten Stecker 70 gemäß 3 zur Ausbildung einer elektrischen Steckverbindung der Hochspannungsquelle 20 mit der Beschleunigungsstrecke der Röntgenröhre 10 versehen. Auch die Stecker 70 weisen jeweils einen Innenleiter 72 aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem ggf. oberflächenvergüteten metallischen Werkstoff auf, der im Zentrum eines elektrischen Isolator 74 mit sich zum Buchsenseitigen Steckerende hin verjüngendem rundem Querschnitt eingebettet ist. Innenleiter 72 und Isolator 74 werden über einen Teil ihrer Länge von einer Abschirmung 76 aus einem ebenfalls elektrisch leitfähigen Material umfasst. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist Abschirmung 76 als metallische Hülse 78 ausgebildet, mit deren Außenfläche 80 ein Flanschteil 82 verschraubt ist. Das Flanschteil ist zu einer mechanischen Festlegung des Steckers 70 in einer komplementär ausgebildeten hochspannungsfesten Buchse 90 gemäß 4 ausgebildet, z. B. mittels Verschraubung mit einem korrespondierenden Flanschteil der Buchse 90.
Auch die hochspannungsfeste Buchse 90 gemäß 4 weist einen Innenleiter 92 und einen diesen umgebenden elektrischen Isolator 94 auf, der im gezeigten Ausführungsbeispiel eine konische Ausnehmung 95 zur Aufnahme des sich konisch verjüngenden Endes 74 des Steckers 70 ausbildet. Die Abschirmung 96 der Buchse 90 ist als metallisches Flanschteil 98 ausgebildet, welches einerseits zur Verschraubung mit einem umgebenden Gehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material wie einem Metallblech besteht, und andererseits Gewindebohrungen 99 aufweist, die einer Verschraubung mit dem Flanschteil 82 des Steckers 70 dienen. Ggf. kann die Abschirmung noch eine elektrisch leitfähige Schicht z. B. aus einer Kuper-Zinn-Legierung umfassen, die außenseitig auf den Isolator 94 aufgebracht ist (nicht dargestellt). Eine solche elektrisch leitfähige Schicht kann z. B. als zylindrisches Buchsengehäuse ausgebildet sein, in welchem der Isolator 94 und der Innenleiter 92 angeordnet sind.
5 zeigt nun ein Absorberelement 100 zur Absorption der Energie von Hochspannungsentladungsbedingten Transienten, welches dazu ausgebildet ist, auf das sich konisch verjüngende Ende des Steckers 70 aufgeschoben zu werden, bis sich ein Klemmsitz im in 3 bezeichneten zylindrischen Abschnitt 75 ergibt. Das Absorberelement 100 weist eine ringförmige Geometrie auf, wobei der Durchmesser der Innenausnehmung an den Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 75 angepasst ist, so dass sich ein Klemmsitz des Absorberelements 100 auf dem zylindrischen Abschnitt 75 ergibt. In dieser Position umschließt das Absorberelement 100 den Innenleiter 72 des Steckers 70 ringförmig.
Der Innendurchmesser des Absorberelements 100 beträgt typisch einige bis einige zig Millimeter, die Wandstärke des Rings beträgt typisch einige Millimeter. Die Längserstreckung des Rings entlang seiner Symmetrieachse beträgt ebenfalls typisch einige Millimeter. Sowohl die Wandstärke als auch die Längserstreckung sind in erster Linie durch die Geometrie der verwendeten Stecker-Buchsen-Kombination beschränkt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass ein größeres Volumen des Absorberelements 100 dessen erfindungsgemäße Wirksamkeit verbessert. Weiterhin hat sich herausgestellt, dass sich die Wirksamkeit des Absorberelements 100 verbessert, wenn die Spaltweite zwischen der zylindrischen Innenfläche 102 des Absorberelements 100 und der zylindrischen Außenfläche 75 des Isolators 74 des Steckers 70 minimal ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Spaltweite aufgrund des Klemmsitzes des Absorberelements 100 praktisch Null und wird im Wesentlichen von der Bearbeitungsgenauigkeit der Oberflächen 102 und 75 bestimmt.
Das Absorberelement 100 besteht aus einem weichmagnetischen Material, dessen Permeabilität des bevorzugt über 500 und besonders bevorzugt über 1000 beträgt. Als besonders geeignete Materialien, die eine kostengünstige Herstellung von ausreichend wirksamen Absorberelementen 100 erlauben, haben sich Eisen in einer ferromagnetischen Kristallstruktur sowie weichmagnetische Ferrite erwiesen. Geeignete Ferrite sind beispielsweise Mangan-Zink-Ferrite sowie Nickel-Zink-Ferrite.
6 zeigt eine erfindungsgemäße Stecker-Buchsen-Anordnung, nämlich den Stecker 70 aus 3 eingeführt in eine Buchse 90, die ihrerseits mit ihrem Flanschteil 96 mit der Wandung eines Gehäuses 12/22 einer Röntgenröhre 10 oder Hochspannungsquelle 20 unter Ausbildung einer elektrisch leitfähigen Verbindung verschraubt ist.
Die 7, 8 und 9 zeigen jeweils die Häufigkeitsverteilung der beim Konfektionieren einer belüfteten Mikrofokus-Röntgenröhre beobachteten Überschläge in Abhängigkeit von der Überschlagsspannung sowie der in den beobachteten transienten Oszillationen enthaltenen Leistung auf dem Innenleiter des HV-Kabels zwischen Hochspannungsquelle und Röntgenröhre. 7 zeigt die Häufigkeitsverteilung mit einem HV-Kabel gemäß dem Stand der Technik, 8 die Häufigkeitsverteilung mit einem HV-Kabel gemäß des vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiels mit einem Absorberelement aus ferromagnetischem Eisen sowie 9 die Häufigkeitsverteilung mit einem HV-Kabel gemäß des vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiels mit einem Absorberelement aus einem ferritischen Werkstoff. Die mittlere Stärke der Oszillationen kann von einem Wert von 0,0148(2) (willkürliche Einheiten) des unbedämpften Systems auf einen Wert von 0,0141(1) (willkürliche Einheiten) mit dem Dämpfungselement aus ferromagnetischem Eisen und auf einen Wert von 0,0111(2) (willkürliche Einheiten) mit dem Dämpfungselement aus einem ferritischen Werkstoff gesenkt werden.
10 zeigt den zeitlichen Verlauf der Leistung auf einem HV-Anschlusskabel 40 zwischen einer Hochspannungsquelle 10 und einer Mikrofokus-Röntgenröhre 20 unmittelbar nach Auftreten eines Überschlags. Dargestellt ist der Leistungsverlauf bei Verwendung eines unbedämpften HV-Anschlusskabels 40 gemäß dem Stand der Technik sowie einem HV-Anschlusskabel 40 gemäß dem vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiel. Wie in 9 wurde als Material für den Dämpfungskörper 100 ein ferritischer Werkstoff verwendet. Aus 10 wird die erzielte starke Transientendämpfung deutlich, die dazu ausreicht, eine Beschädigung sowohl des HV-Anschlusskabels 40 als auch der Hochspannungsquelle 10 sicher zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

1: Prüfanordnung
10: Röntgenröhre
12: Gehäuse
20: Hochspannungsquelle
22: Gehäuse
40: HV-Anschlusskabel
50: Kabel
52: Innenleiter
54: Ader
56: Mantel
58: Isolator
60: Mantelschicht
62: Abschirmung
70: Stecker
72: Innenleiter
74: Isolator
75: zylindrischer Abschnitt
76: Abschirmung
78: Hülse
80: Außenfläche
82: Flanschteil
90: Buchse
92: Innenleiter
94: Isolator
95: konische Ausnehmung
96: Abschirmung
98: Flanschteil
99: Gewindebohrung
100: Absorberelement
102: Innenfläche

Claims

Hochspannungsfestes Kabel (50) zur elektrisch leitenden Verbindung einer Hochspannungsquelle (20) mit der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre (10), mit einem Innenleiter (52), einem diesen umgebenden elektrischen Isolator (58) und einer Innenleiter (52) und Isolator (58) umgreifenden Abschirmung (62) aus einem elektrisch leitfähigen Material, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel (50) weiterhin ein Absorberelement (100) zur Absorption der Energie von Hochspannungsentladungsbedingten Transienten umfasst.
Hochspannungsfester Stecker (70) zur Ausbildung einer elektrischen Verbindung, z. B. einer Steckverbindung, einer Hochspannungsquelle (20) mit der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre (10), mit einem Innenleiter (72), einem diesen umgebenden elektrischen Isolator (74) und einer Innenleiter (72) und Isolator (74) umgreifenden Abschirmung (76) aus einem elektrisch leitfähigen Material, dadurch gekennzeichnet, dass der Stecker (70) weiterhin ein Absorberelement (100) zur Absorption der Energie von Hochspannungsentladungsbedingten Transienten umfasst.
Hochspannungsfeste Buchse (90) zur Ausbildung einer elektrischen Verbindung, z. B. einer Steckverbindung, einer Hochspannungsquelle (20) mit der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre (10), mit einem Innenleiter (92), einem diesen umgebenden elektrischen Isolator (94) und einer zumindest den Isolator (94), bevorzugt auch den Innenleiter (92), zumindest auf einem Teil ihrer Längserstreckung umgreifenden Abschirmung (96) aus einem elektrisch leitfähigen Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (90) weiterhin ein Absorberelement (100) zur Absorption der Energie von Hochspannungsentladungsbedingten Transienten umfasst.
Hochspannungsfeste Stecker-Buchsen-Kombination (110) mit hoher Transientendämpfung zur Ausbildung einer elektrischen Verbindung einer Hochspannungsquelle (20) mit der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Stecker (70) gemäß Anspruch 2 oder/und eine Buchse (90) gemäß Anspruch 3 umfasst.
Hochspannungsfestes Anschlusskabel (40) mit hoher Transientendämpfung zur Ausbildung einer elektrischen Verbindung einer Hochspannungsquelle (20) mit der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre (10) umfassend ein hochspannungsfestes Kabel (50) sowie einen hochspannungsfesten Stecker (70), dadurch gekennzeichnet, dass es ein Kabel (50) gemäß Anspruch 1 oder/und einen Stecker (70) gemäß Anspruch 2 umfasst.
Kabel (50) gemäß Anspruch 1 oder Stecker (70) gemäß Anspruch 2 oder Buchse (90) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberelement (100) aus einem weichmagnetischen Material besteht.
Kabel (50), Stecker (70) oder Buchse (90) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeabilität des weichmagnetischen Materials über 50, bevorzugt über 500 und besonders bevorzugt über 1000 beträgt.
Kabel (50), Stecker (70) oder Buchse (90) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberelement (100) eines oder mehrere der folgenden Werkstoffe umfasst: a. Eisen b. Kobalt c. Legierungen aus NiFe d. ferritische Werkstoffe e. amorphe Metalle f. nanokristalline Metalle g. Ferrofluide.
Kabel (50) gemäß Anspruch 1 oder Stecker (70) gemäß Anspruch 2 oder Buchse (90) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberelement (100) den Innenleiter (52, 72, 92) ringförmig umschließt.
Kabel (50) gemäß Anspruch 1 oder Stecker (70) gemäß Anspruch 2 oder Buchse (90) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (58, 74, 94) einen runden Querschnitt aufweist, in dessen Zentrum der Innenleiter (52, 72, 92) angeordnet ist, und das Absorberelement (100) den Isolator (58, 74, 94) ringförmig umschließt.
Kabel (50), Stecker (70) oder Buchse (90) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltweite zwischen Innenfläche (102) des Absorberelements (100) und Außenfläche des Isolators (58, 74, 94) kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner als 0,5 mm und insbesondere kleiner ist als 0,1 mm.
Kabel (50) gemäß Anspruch 1 oder Stecker (70) gemäß Anspruch 2 oder Buchse (90) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberelement (100) zwischen Innenleiter (52, 72, 92) und Abschirmung (62, 76, 96) angeordnet ist.
Verwendung eines Kabels (50) gemäß Anspruch 1, eines Steckers (70) gemäß Anspruch 2, einer Buchse (90) gemäß Anspruch 3, einer Stecker-Buchsen-Kombination (110) gemäß Anspruch 4 oder eines Anschlusskabels (40) gemäß Anspruch 5 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung der Beschleunigungsstrecke einer Röntgenröhre (10) und einer Hochspannungsquelle (20).
Prüfanordnung (1) umfassend eine Röntgenröhre (10) mit einer Beschleunigungsstrecke, eine Hochspannungsquelle (20) und ein hochspannungsfestes Anschlusskabel (40) gemäß Anspruch 5 zur elektrischen Verbindung der Beschleunigungsstrecke mit der Hochspannungsquelle (20).
Verfahren zur Verminderung überschlagsbedingter Schäden einer Prüfanordnung (1), die eine Röntgenröhre (10) mit einer Beschleunigungsstrecke und eine Hochspannungsquelle (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsstrecke über ein hochspannungsfestes Anschlusskabel (40) gemäß Anspruch 5 mit der Hochspannungsquelle (20) elektrisch leitend verbunden wird.