DE102014107576A1

DE102014107576A1 - Röntgengenerator

Info

Publication number: DE102014107576A1
Application number: DE102014107576.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-12-03
Also published as: EP3149760A1; WO2015181269A1; DE202014011302U1

Abstract

Ein mit einfachen Mitteln kompakt aufgebauter und zur Abgabe sehr hoher Strahlungsleistung auch über größere Zeitintervalle geeigneter Röntgengenerator (100) enthält eine hochemittierende thermische Niedrigtemperatur-Kathode (101) zum Abgeben eines Elektronenstrahls (102), eine einen Anodenteller (106) umfassende Drehanode (107), die in einer Lagereinrichtung (114), die zwischen einem mit der Drehanode verbundenen Lagerteil (120) und einer Lagerachse (122) ein Flüssigmetall-Gleitlager (123) aufweist, um eine Rotationsachse (115) drehbar geführt ist, eine Elektronen-Fokussiereinrichtung (108) zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf eine Brennbahn (109) entlang einer Oberfläche des Anodentellers und eine mit einem zwischen der Brennbahn und dem Lagerteil der Drehanode vorliegenden ersten Kühlmittel und einer Ausgestaltung der Lagerachse für ein Durchströmen durch ein zweites Kühlmittel ausgebildeten Kondensationskühlanordnung, wobei das erste Kühlmittel von einer zwischen der Brennbahn und dem Lagerteil wenigstens vom Anodenteller gebildeten konstruktiven Verbindung gasdicht umschlossen ist und das Flüssigmetall-Gleitlager ein Wärmeleitelement zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittel bildet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Röntgengenerator.
Stand der Technik
Aus der DE 36 44 719 C1 ist eine flüssigkeitsgekühlte Röntgendrehanode mit einer in einem unter Hochvakuum stehenden Röhrengehäuse angeordneten Kathode und einer dieser gegenüberliegenden Drehanode bekannt. Bei dieser Drehanode wird die durch den Elektronenstrom bei der Röntgenstrahlerzeugung auf der Drehanode entstehende Wärme von der rotierenden Drehanode auf einen feststehenden, von innen mit einer ersten Flüssigkeit gekühlten Kühler abgeführt. Dadurch ist eine gekühlte Drehanode ohne Drehdurchführung für ein Kühlmittel ins Hochvakuum gegeben. Im Raum zwischen der rotierenden Drehanode und dem feststehenden Kühler ist eine zweite Flüssigkeit mit niederem Dampfdruck angeordnet, die die Wärme von der Drehanode auf den Kühler überträgt. Insbesondere ist dabei die erste Flüssigkeit Wasser und die zweite Flüssigkeit eine bei Zimmertemperatur flüssige Metalllegierung oder ein Hochvakuumöl.
In der DE 36 44 719 C1 ist ferner beschrieben, dass bei bis dahin herkömmlichen Röntgendrehanoden zur Strukturforschung die durch den Elektronenbeschuss erzeugte Wärme von mehr als 5 kW durch Wasserkühlung von der Anode abgeführt wird. Die dazu nötigen hochvakuumdichten Zu- und Abführungen für das Kühlwasser in die mit ca. 3000 Umdrehungen pro Minute rotierende Anode sind wartungsintensiv und oft wenig zuverlässig. Die daher in der DE 36 44 719 C1 vorgeschlagene Konstruktion für eine Flüssigkeitskühlung soll dagegen den Aufbau einer Drehanode ohne Drehdurchführung für die Kühlflüssigkeit vom Außenraum in den Hochvakuumteil ermöglichen und zu wesentlich vereinfachter Bauweise mit weniger Verschleißteilen führen.
Dabei wird die auf der Anode erzeugte Wärme durch eine zwischen der Anode und dem Kühler im Hochvakuum befindliche Flüssigkeit niederen Dampfdrucks, z. B. ein Gallium-Indium-Eutektikum mit 60–70% Gallium, von der Innenfläche der topfförmigen rotierenden Anode auf den feststehenden, wassergekühlten Kühler übertragen. Durch diese Konstruktion ohne Drehdurchführung für die Kühlflüssigkeit soll ein gutes und stabiles Hochvakuum in der Röhre erzielt werden, wodurch die Betriebsbedingungen verbessert und die Wartungszeiten verringert werden sollen.
Aus der WO 2007 020 097 A1 ist eine Kühlanordnung für eine Drehanode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einer Röntgenröhre bekannt, wobei die Drehanode eine Brennbahn, auf die ein Elektronenstrom trifft, und Lagerteile aufweist. Um eine effiziente Kühlung der Drehanode zu ermöglichen, wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, dass zwischen der Brennbahn und den Lagerteilen eine Flüssigkeit vorliegt und die Lagerteile gleichzeitig Kondensationsflächen bilden sowie an der Brennfläche eine Verdampfungsfläche ausgebildet ist, wobei an der Verdampfungsfläche die Flüssigkeit verdampft und als Dampf zu den Kondensationsflächen gelangt, um dort zu kondensieren und durch die Zentrifugalkräfte der drehenden Anode als Kondensat zur Brennbahn zurück zu gelangen.
Die Grundidee der WO 2007 020 097 A1 ist es, das sogenannte Heat-Pipe-Prinzip für die Kühlung der Anode zugrunde zu legen. Dazu dient, dass sich zwischen der Brennbahn und den Lagerteilen eine Flüssigkeit befindet, die an der Verdampfungsfläche verdampft. Die Verdampfungsfläche wird durch den Aufprall der Elektronen auf die Brennfläche aufgeheizt. Dieser Dampf gelangt sodann zu den Lagerteilen, an denen sich aufgrund eines Temperaturgradienten ein Unterdruck befindet und eine Kondensation eintritt. Die Kondensationsfläche resultiert dabei aus dem Temperaturgradienten, der sich zwischen der Verdampfungsfläche und den Lagerteilen einstellt, die auch die Funktion einer Kondensationsfläche erfüllen. Der Rücktransport des Kondensats zur Brennbahn geschieht durch die Zentrifugalkräfte der drehenden Anode. Auf diese Weise wird der Wärmekreislauf einer Heat-Pipe geschlossen.
Bei der in der WO 2007 020 097 A1 beschriebenen Kühlanordnung sind die Teile des Lagers gasdicht mit der Brennbahn verbunden. Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass sich die Drehanode im Hochvakuum befindet. Ferner ist das Lager vorzugsweise als Gleitlager ausgebildet.
In der DE 691 13 382 T2 wird eine Drehanoden-Röntgenröhre beschrieben, bei der insbesondere eine Verbesserung in der Struktur eines Lagers zum Tragen der Drehanode erzielt werden soll. Dazu wird beschrieben, dass der Lagerteil der Drehanode durch ein hydrodynamisches Druckgleitlager gebildet wird, das Lagerflächen mit Spiralrillen hat und ein Metallschmiermittel aus beispielsweise Gallium oder einer Gallium-Indium-Zinn-Legierung verwendet, welches im Betrieb flüssig ist.
Ferner wird in dieser Druckschrift beschrieben, dass die Drehanoden-Struktur in einem Glasvakuumkolben installiert und dieser evakuiert wird, wodurch eine Röntgenröhre hergestellt wird.
Die DE 10 2005 060 234 A1 zeigt eine Strahlungsemissionsvorrichtung, beispielsweise eine Röntgenröhre, mit einem Ventil, über welches wahlweise ein flüssiges Schmiermittel auf Basis von Gallium, Indium und Zinn eingefüllt oder das Gehäuse der Röhre evakuiert werden kann. Dabei erfolgt das Evakuieren auch während des Betriebes der Röntgenröhre.
Die Druckschrift DE 198 32 032 C1 beschreibt eine Röntgenröhre sowie ein Katheter mit einer solchen Röntgenröhre. Diese muss einen sehr geringen Durchmesser aufweisen, wodurch es extrem schwierig ist, sowohl einen Heizstrom als auch eine Beschleunigungsspannung zuzuführen. Um die Zuleitung für den Heizstrom zu sparen, werden indirekt beheizte Kathoden vorgeschlagen. Deren Elektronenemission soll durch Verwendung eines emissionsverstärkenden Materials mit einer niedrigeren Elektronenaustrittsarbeit als Wolfram als Material oder Bestandteil des Emissionselementes in der indirekt beheizten Kathode, eventuell auch als Schicht, verstärkt werden. Dadurch lassen sich ausreichende Röhrenströme schon bei niedrigeren Temperaturen als denjenigen für Wolframkathoden erzielen. Als Beispiel wird Bariumoxid mit einer Temperatur von ca. 1000°C genannt.
Bei der beschriebenen Röntgenröhre ist die Kathode auf der Mittelachse eines Vakuumgehäuses angeordnet.
In der Druckschrift EP 0 378 273 A2 wird eine Drehanoden-Röntgenröhre mit einem Gleitlager beschrieben, das mit einem flüssigen Schmiermittel gefüllt ist, vorzugsweise mit einer Galliumlegierung, insbesondere Gallium-Indium-Zinn (Ga-In-Sn).
Weiterhin zeigt diese Druckschrift einen geschlossenen Metallkolben, in dem Kathode und Drehanode der Röntgenröhre montiert sind.
Die DE 10 2008 062 671 B4 zeigt eine Röntgeneinrichtung mit einer Drehanode. Es wird die Lagerung dieser Drehanode über ein Flüssigmetall-Gleitlager genannt, wobei als geeignetes Flüssigmetall beispielsweise Gallium oder eine Galliumlegierung genannt werden. Die Röntgenröhre ist in ein vorwiegend aus Metall gefertigtes, unter Hochvakuum stehendes Gehäuse eingebaut.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Röntgengenerator mit einfachen Mitteln derart auszubilden, dass er bei einfachem, kompaktem Aufbau zur Abgabe einer sehr hohen Strahlungsleistung auch über größere Zeitintervalle hinweg geeignet ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Röntgengenerator der eingangs genannten Art enthält: eine hochemittierende thermische Niedrigtemperatur-Kathode zum Abgeben eines Elektronenstrahls, eine einen Anodenteller umfassende Drehanode, die in einer Lagereinrichtung, die zwischen einem mit der Drehanode verbundenen Lagerteil und einer Lagerachse ein Flüssigmetall-Gleitlager aufweist, um eine Rotationsachse drehbar geführt ist, eine Elektronen-Fokussiereinrichtung zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf eine Brennbahn entlang einer Oberfläche des Anodentellers und eine Kondensationskühlanordnung, die mit einem zwischen der Brennbahn und dem Lagerteil der Drehanode vorliegenden ersten Kühlmittel und einer Ausgestaltung der Lagerachse für ein Durchströmen durch ein zweites Kühlmittel ausgebildet ist, wobei das erste Kühlmittel von einer konstruktiven Verbindung, die zwischen der Brennbahn und dem Lagerteil wenigstens vom Anodenteller gebildet ist, gasdicht umschlossen ist und das Flüssigmetall-Gleitlager ein Wärmeleitelement zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem ersten Kühlmittel und dem zweiten Kühlmittel bildet.
Der erfindungsgemäße Röntgengenerator weist damit eine Kathode auf, die bei niedrigen Temperaturen betreibbar ist und trotzdem eine für die genannte Aufgabe hinreichend hohe Elektronenemission ermöglicht. Insbesondere ist eine Kathode gewählt, die diese Elektronenemission bereits bei einer Betriebstemperatur von ca. 900°C bis ca. 950°C, vorzugsweise von wenigstens nahezu 900°C, aufweist. Dadurch wird erreicht, dass trotz schonenden Betriebs der Kathode eine hohe Strahlungsleistung erzielt werden kann. Durch den Betrieb der Kathode bei einer derart niedrigen Betriebstemperatur wird der Energieverbrauch des Röntgengenerators gesenkt, die durch eine Kühlung abzuführende Wärmemenge reduziert und eine hohe Lebensdauer der Kathode und damit des Röntgengenerators insgesamt erzielt.
Bevorzugt ist in dem erfindungsgemäßen Röntgengenerator die hochemittierende thermische Niedrigtemperatur-Kathode als großflächige Kathode, d. h. mit einer im Verhältnis zu ihren äußeren Abmessungen großen elektronenemittierenden Oberfläche, ausgebildet. Eine große elektronenemittierende Oberfläche ermöglicht die Abgabe eines Elektronenstrahls mit einer hohen Stromstärke, d. h. einen großen Kathodenstrom, bei geringer Stromdichte an der elektronenemittierenden Oberfläche und damit geringer Beanspruchung der Kathode, d. h. einen niedrigen Wert für das Verhältnis des Emissionsstroms der Kathode zur Größe der elektronenemittierenden Oberfläche, wodurch die Kathode eine lange Lebens- bzw. Betriebsdauer erreicht. Im Gegensatz zu einer als Drahtwendel ausgeführten Kathode ist die großflächige Kathode durch Ihre Bauform auch mechanisch stabiler und robuster und ermöglicht dadurch ebenfalls eine größere Lebensdauer.
Zwar kann die Kathode grundsätzlich als reine Wolfram-Kathode ausgebildet sein; bevorzugt ist die hochemittierende thermische Niedrigtemperatur-Kathode jedoch als beschichtete sogenannte Dispenser-Kathode ausgebildet, durch die eine höhere Elektronenemission ohne größere thermische Belastung erreichbar ist.
Besonders bevorzugt kann eine mit Bariumoxid beschichtete Kathode eingesetzt werden.
Einen noch größeren Vorzug bietet eine mit einem Überzug aus einer Legierung von Metallen der Platingruppe versehene, imprägnierte (d. h. getränkte) Wolfram-Kathode, die für die Erzeugung einer vergleichbaren Stromdichte an der elektronenemittierenden Oberfläche eine gegenüber Standard-Dispenser-Kathoden nochmalige Verringerung der Betriebstemperatur ermöglicht.
Eine weitere, ebenfalls sehr vorteilhafte Lösung bieten Kathoden, die Scandiumoxyd enthalten; derartige Kathoden ermöglichen ebenfalls eine gegenüber Standard-Dispenser-Kathoden verringerte Betriebstemperatur für die Erzeugung einer vergleichbaren Stromdichte. Diese Kathoden sind mit einem Überzug aus einer Barium-Scandium-Legierung versehen.
Ein grundsätzlicher Vorteil der Dispenser-Kathoden insgesamt besteht darin, dass auf eine entsprechend große Kathodenfläche ein hoher Kathodenstrom so verteilt werden kann, dass die Stromdichte gering bleibt. Dispenser-Kathoden weisen während ihrer gesamten Lebensdauer eine hohe und gleichmäßige Elektronenemission auf. Demgegenüber haben reine Wolframkathoden den Nachteil eines hohen Dampfdrucks und dadurch bedingt einer vergleichsweise kürzeren Lebensdauer.
In dem erfindungsgemäßen Röntgengenerator ist das Flüssigmetall-Gleitlager bevorzugt mit einer Legierung aus Gallium, Indium und Zinn ausgebildet. Die Ausgestaltung als Gleitlager gestattet einen konstruktiv einfachen, robusten Aufbau, ist wartungsfrei und ermöglicht eine hohe Betriebsdauer. Die Legierung aus Gallium, Indium und Zinn zeigt einen niedrigen Dampfdruck und eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wodurch sich diese Legierung einerseits aufgrund ihrer äußerst geringen Ausgasung bevorzugt für einen Einsatz im Vakuum eignet, andererseits eine hohe Wirksamkeit des Flüssigmetall-Gleitlagers als Wärmeleitelement zum Übertragen der Wärmeenergie zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittel ermöglicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Röntgengenerator ist der Anodenteller bevorzugt mit Wandbereichen ausgestaltet, auf denen die Brennbahn verläuft, die die Verbindung zwischen der Brennbahn und dem Lagerteil bilden und durch die ein gasdicht umschlossener Hohlraum zum Aufnehmen des ersten Kühlmittels gebildet ist, der einerseits an die Brennbahn und andererseits an das Lagerteil grenzt. Dies ermöglicht einen einfachen und kostensparenden Aufbau einer Kühleinrichtung für den Anodenteller in Form einer Kondensationskühlung nach dem sogenannten Heat-Pipe-Prinzip, da dafür lediglich der für die Drehanode, insbesondere für den Anodenteller, ohnehin benötigte Bauraum zwischen der Brennbahn und dem Lagerteil genutzt wird.
Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Röntgengenerator der Anodenteller zumindest in den Wandbereichen, auf denen die Brennbahn verläuft, wenigstens an seiner vom Elektronenstrahl zu treffenden Oberfläche mit Kupfer ausgebildet. Dadurch weist der Anodenteller im Bereich der Brennbahn eine gute elektrische Leitfähigkeiten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Außerdem besteht durch Kupferionen, die sich aus dem Anodenteller unter dem Einfluss der Aufheizung durch den Elektronenstrahl und der zwischen Drehanode und Kathode des Röntgengenerators im Betrieb anliegenden hohen Gleichspannung herauslösen können, keine Gefahr der ”Vergiftung”, d. h. Verschmutzung der Kathode, welche eine Verringerung der Elektronenemission zur Folge hätte. Allgemein ist die Drehanode, sind insbesondere aber der Anodenteller und das Lagerteil, aus Gründen der mechanischen und thermischen Festigkeit sowie zum Gewährleisten einer guten elektrischen Leitfähigkeit aus Metall gefertigt.
Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Röntgengenerator der gasdicht umschlossene Hohlraum zum Aufnehmen des ersten Kühlmittels eingerichtet zum Sieden des ersten Kühlmittels im Bereich der Brennbahn und zum Kondensieren des ersten Kühlmittels im Bereich des Lagerteils. Dadurch wird eine Kondensationskühlung zwischen der Brennbahn und dem Lagerteil gebildet, durch die die entlang der Brennbahn auftretende Wärmeenergie mit hoher Wirksamkeit an das Lagerteil abgeführt wird.
Die erfindungsgemäß für die Drehanode eingesetzte Kühleinrichtung, die als eine Flüssigkeits-Kondensationskühlanordnung ausgebildet ist, umfasst außer dieser Kondensationskühlung zwischen der Brennbahn auf dem Anodenteller und dem Lagerteil weiterhin eine Wärmeleitung durch das Flüssigmetall-Gleitlager. Die vorstehend beschriebene Legierung aus Gallium, Indium und Zinn, die erfindungsgemäß als Lagermetall eingesetzt ist, zeichnet sich dabei durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit, d. h. einen sehr niedrigen Wärmewiderstand, aus. Damit ist ein sehr wirksamer Übergang der Wärmeenergie vom Anodenteller über das Lager auf die Lagerwelle gewährleistet, und im Betrieb des Röntgengenerators tritt am Lager nur eine geringe Temperaturdifferenz auf.
Von der Lagerwelle der Drehanode wird die dorthin übertragene Wärmeenergie von einem die Lagerwelle durchströmenden zweiten Kühlmittel aus dem Flüssigmetall-Gleitlager und damit vom Röntgengenerator nach außen abgeleitet. Als ein solches zweites Kühlmittel wird aufgrund der im Betrieb zwischen der Drehanode und der Kathode anliegenden elektrischen Spannung bevorzugt ein elektrisch nichtleitender Stoff eingesetzt, wobei es sich wahlweise um ein flüssiges Kühlmittel, z. B. Öl, oder um ein gasförmiges Kühlmittel, z. B. Stickstoff oder ein Kältegas handelt.
Durch beschriebene Konstruktion der Drehanode und des Flüssigmetall-Gleitlagers wird bei den hohen zu erwartenden thermischen Beanspruchungen des erfindungsgemäßen Röntgengenerators die insbesondere im Bereich der Brennbahn auftretende Wärmeenergie besser und schneller abgeleitet. Der Anodenteller der Drehanode muss sich entlang der Brennbahn, auf die im Betrieb der Elektronenstrahl trifft, nach einer Umdrehung auf die Ausgangstemperatur unmittelbar vor Auftreffen des Elektronenstrahles abgekühlt haben; anderenfalls tritt sehr schnell eine Überhitzung des Anodentellers im Bereich der Brennbahn auf.
Wird dem Röntgengenerator im Betrieb eine hohe Dauerleistung der abzugebenden Röntgenstrahlung abgefordert, wie sie insbesondere für die Computertomographie benötigt wird, ist daher eine kontinuierliche Kühlung der Drehanode äußerst wichtig.
Bevorzugt wird der Wandbereich der Drehanode im Bereich der Brennbahn so dünn ausgeführt, wie dies unter Einhaltung erforderlicher mechanischer und thermischer Stabilität möglich ist, da die Wärmeleitfähigkeit des Wandbereichs und damit die Wärmeübertragung von der Brennbahn auf das erste Kühlmittel umgekehrt proportional zur Wandstärke dieses Wandbereichs ist. Besonders bevorzugt wird hier eine Wandstärke von 3 mm oder weniger gewählt.
Für eine besonders gute Wärmeübertragung ist wichtig, dass das Kühlmittel während des Betriebs des Röntgengenerators im Bereich der Brennbahn auf der Oberfläche des dortigen Wandbereichs des Anodentellers keinen stehenden Film bildet, da dieser eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat. Daher wird weiterhin bevorzugt im Betrieb des Röntgengenerators das erste Kühlmittel im Bereich der Brennbahn zum Sieden gebracht und dadurch ein stehender Film des ersten Kühlmittels aufgebrochen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, im ersten Kühlmittel unter der Brennbahn Turbulenzen zu erzeugen. Dadurch wird die Wärmeabfuhr durch das erste Kühlmittel verbessert, jedoch verursacht die Erzeugung von Turbulenzen eine große Reibungswärme, die zusätzlich durch die Kühlung abgeführt werden muss. Auch kostet die Erzeugung der Reibungswärme zusätzlich Antriebsenergie, wodurch die erreichbare Drehzahl der Drehanode verringert wird. Da zur besseren Wärmeabführung jedoch eine möglichst hohe Drehzahl der Drehanode anzustreben ist, ist ein Sieden des ersten Kühlmittels einer Erzeugung von Turbulenzen vorzuziehen.
Als erstes Kühlmittel dient bevorzugt Wasser. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgengenerators enthält der Anodenteller 80 ml Wasser.
Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Röntgengenerator das Lagerteil mit Rippen ausgebildet. Diese Rippen dienen als Kühlrippen zum Vergrößern der mit dem ersten Kühlmittel in Kontakt zu bringenden Oberfläche des Lagerteils zwecks eines besseren Wärmeübergangs zwischen dem ersten Kühlmittel und dem Lagerteil. Außerdem dienen die Rippen einer vorteilhaften Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Lagerteils.
Zum Führen des zweiten Kühlmittels ist bei dem erfindungsgemäßen Röntgengenerator die Lagerachse bevorzugt hohlwellenartig ausgestaltet. Eine derartige Ausgestaltung der Lagerachse ist einfach herstellbar und ermöglicht eine vorteilhafte Führung des zweiten Kühlmittels.
Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Röntgengenerator die Lagerachse im Inneren bevorzugt mit Rippen ausgebildet. Auch diese Rippen sind wie diejenigen am Lagerteil insbesondere vorgesehen als Kühlrippen zum Vergrößern der Oberfläche zwecks eines besseren Wärmeübergangs, und zwar hier zwischen der Lagerachse und dem zweiten Kühlmittel. Die Rippen können axial zur Lagerachse ausgerichtet sein, wodurch bevorzugt eine laminare Strömung in der Lagerachse entsteht.
In einer vorteilhaften Abwandlung der vorgeschriebenen Konfiguration ist die Lagerachse im Inneren mit Turbulenzen im Strom eines zweiten Kühlmittels erzeugenden Einrichtungen ausgebildet. Dazu können die vorstehend beschriebenen Rippen im Inneren der Lagerachse, z. B. durch eine tangential versetzte Anordnung oder dergleichen, zur Erzeugung von Turbulenzen im Strom des zweiten Kühlmittels zwecks besseren Wärmeübergangs eingerichtet sein. Insbesondere kann zur Erzeugung der Turbulenzen das Innere der Lagerachse anstelle mit Rippen auch mit anderweitigen Ausformungen ausgestaltet sein, oder es können Einsätze in die Lagerachse eingebracht sein, die die erwünschten Strömungsverhältnisse hervorrufen.
Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise den Einsatz des beschriebenen Röntgengenerators für lange Betriebsintervalle und lange Belichtungszeiten. Der erfindungsgemäße Röntgengenerator ist daher bevorzugt einsetzbar für die Kristallographie, da damit eine sehr hohe Punktleistung der erzeugten Röntgenstrahlung am bestrahlten Objekt erzielt werden kann, sowie für die Computertomographie, bei der zahlreiche Röntgenaufnahmen in schneller Folge hintereinander zu erstellen sind. Durch den erfindungsgemäßen Röntgengenerator ist eine schnelle Bildfolge mit kurzen Belichtungszeiten erreichbar. Der erfindungsgemäße Röntgengenerator ist für eine große thermische Belastung insbesondere der Drehanode, aber auch der Kathode, durch den Strom des Elektronenstrahls zwischen der Kathode und der Drehanode ausgelegt. Für die Drehanode ist eine sehr hohe Drehzahl erreichbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der erfindungsgemäße Röntgengenerator ein hermetisch verschlossenes, vakuumdichtes Gehäuse zum Umschließen wenigstens der hochemittierenden thermischen Niedrigtemperatur-Kathode, der Drehanode mit dem Anodenteller und dem Lagerteil sowie der Elektronen-Fokussiereinrichtung. Insbesondere bildet dabei die Lagerachse vorteilhaft ein Element des hermetisch verschlossenen, vakuumdichten Gehäuses.
Das hermetisch verschlossene, vakuumdichte Gehäuse, z. B. in Form eines zugeschmolzenen Glaskolbens, eines Metallgehäuses oder dergleichen, bietet einen optimalen Schutz gegen äußere Einflüsse auf die konstruktiven Elemente des erfindungsgemäßen Röntgengenerators. Im Gegensatz zu Bauarten von Röntgengeneratoren, die zur Aufrechterhaltung eines Hochvakuums in ihrem Inneren auch während des Betriebs zwischenzeitlich oder dauerhaft mit einer Vakuumpumpe verbunden sind, wird gemäß der beschriebenen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Röntgengenerators sowohl ein vereinfachter Aufbau als auch ein größtmöglicher Schutz vor einem Eindringen von Verunreinigungen in das Innere des Röntgengenerators erreicht. Derartige Verunreinigungen könnten dort vor allem zu Schädigungen der Kathode führen und damit deren Elektronenemission herabsetzen. Insbesondere sind die genannten Dispenser-Kathoden empfindlich gegen Verschmutzungen durch organische Stoffe. Deshalb gelangt erfindungsgemäß auch für das Lager der Drehanode anstelle eines Lagerschmierfetts oder Öles, von welchen entsprechende Sorten grundsätzlich auch für einen Einsatz im Vakuum verwendet werden könnten, das beschriebene Flüssigmetall zum Einsatz. Beim Einsatz einer Vakuumpumpe könnte zusätzlich das darin verwendete Pumpenöl zu Schäden führen, weil es – neben anderen Verunreinigungen, z. B. aus der umgebenden Atmosphäre – trotz Gegendrucks der Vakuumpumpe in das Innere des Röntgengenerators eindringen könnte. Zu den schädlichen Verunreinigungen zählen außer Sauerstoff auch eine Anzahl von Metallen. Kupfer ist dagegen unschädlich, weshalb die Drehanode bevorzugt aus diesem Metall hergestellt ist. Außerdem benötigt eine Vakuumpumpe aufwendige Wartung.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Röntgengenerator mit einer Temperatur-Überwachungseinrichtung zum Messen und/oder Überwachen der Temperatur des Anodentellers im Bereich der Brennbahn ausgebildet. Die Temperaturüberwachung dient dem Schutz des Röntgengenerators vor Schäden durch Überhitzung des Anodentellers insbesondere im Bereich der Brennbahn durch das Auftreffen des Elektronenstrahls während des Betriebs. Da aufgrund der hohen Ströme eine solche Überhitzung des Anodentellers bei betrieblichen Unregelmäßigkeiten, insbesondere beim Absinken der Drehzahl der Drehanode z. B. durch eine Störung im Drehanodenantrieb, innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne auftritt, ist von der Temperatur-Überwachungseinrichtung bevorzugt eine sehr schnelle Abschaltung der zwischen Drehanode und Kathode anliegenden Gleichspannung durchführbar. Besonders bevorzugt erfolgt diese Abschaltung innerhalb einer Millisekunde.
Aufgrund dieser Anforderungen ist die Temperatur-Überwachungseinrichtung mit einem sehr schnell reagierenden Temperatursensor ausgestaltet. Bevorzugt ist daher der Temperatursensor als Infrarotsensor zum Messen der Temperatur des Anodentellers im Bereich der Brennbahn ausgebildet. Der Infrarotsensor ermöglicht eine sehr schnelle, hocheffektive Temperaturmessung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Röntgengenerators ist die Temperatur-Überwachungseinrichtung außer zu dem genannten Unterbrechen des Elektronenstrahls wahlweise stattdessen oder zusätzlich zum Herunterregeln des Elektronenstrahls, sobald die Temperatur der Brennbahn einen Temperatur-Grenzwert überschreitet, ausgebildet. Der Betrieb des Röntgengenerators wird dann bei einem unerwünschten Anstieg der Temperatur auf der Brennbahn der Drehanode nicht vollständig unterbrochen; vielmehr kann ein sicherer, dauerhafter Betrieb aufrechterhalten werden. Dadurch werden die Betriebssicherheit und der Bedienungskomfort des erfindungsgemäßen Röntgengenerators wesentlich erhöht.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgengenerators umfasst dieser eine Drehzahl-Überwachungseinrichtung zum Messen und/oder Überwachen der Drehzahl der Drehanode. Als Drehzahlsensor kann dabei bevorzugt eine Lichtschrankenanordnung vorgesehen sein, durch die ein Passieren von in der Drehanode angebrachten und mit deren Drehung umlaufenden Markierungen, z. B. Schlitzen, detektiert wird.
In einer vorteilhaften Abwandlung der vorstehenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgengenerators weist die Drehanode ein bezüglich der Rotationsachse wenigstens weitgehend rotationssymmetrisches Element mit entlang seines Umfangs variierenden magnetischen Eigenschaften auf und ist die Drehzahl-Überwachungseinrichtung mit einem Hallsensor zum Detektieren der variierenden magnetischen Eigenschaften und zum dadurch Messen der Drehzahl der Drehanode ausgebildet. Die Drehzahlmessung mit Hilfe eines Hallsensors als Drehzahlsensor ist insbesondere dann vorteilhaft und mit einfachen Mitteln durchführbar, wenn gemäß einer weiteren Fortbildung des erfindungsgemäßen Röntgengenerators das bezüglich der Rotationsachse wenigstens weitgehend rotationssymmetrische Element mit entlang seines Umfangs variierenden magnetischen Eigenschaften Teil eines Rotors eines Antriebsmotors der Drehanode ist. Bevorzugt ist dazu der Rotor des Antriebsmotors der Drehanode mit einem auf der Lagerachse drehbar angeordneten, eisenbeschichteten, rohrförmigen Rotorkörper aus Kupfer ausgebildet, in dem entlang seines Umfangs Bereiche variierender magnetischer Eigenschaften durch Ausnehmungen wenigstens in der Eisenbeschichtung gebildet sind. Die Ausnehmungen können als Schlitze oder Löcher unterschiedlich möglicher Konturen in der Eisenbeschichtung, aber auch im darunterliegenden Kupfer, z. B. durch Bohren oder Fräsen, aber auch z. B. durch Ätzen angebracht sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Röntgengenerators ist die Drehzahl-Überwachungseinrichtung zum Herunterregeln und/oder Unterbrechen des Elektronenstrahls, sobald die Drehzahl der Drehanode einen Drehzahl-Grenzwert unterschreitet, ausgebildet.
Wie die Temperaturüberwachung dient auch die Drehzahl-Überwachungseinrichtung bevorzugt dem Schutz des Röntgengenerators vor Schäden durch Überhitzung des Anodentellers insbesondere im Bereich der Brennbahn durch das Auftreffen des Elektronenstrahls während des Betriebs. Dazu besteht ihre erste Aufgabe darin, die Drehzahl der Drehanode auf einem konstanten Sollwert zu halten, der einen sicheren Betrieb ohne Gefahr einer thermischen und/oder mechanischen Überlastung gewährleistet. Zum zweiten wird mit der Drehzahl-Überwachungseinrichtung ein Unterbrechen des Elektronenstrahls beim Auftreten von Unregelmäßigkeiten in der Rotation der Drehanode veranlasst. Da wie beschrieben aufgrund der hohen Ströme eine Überhitzung des Anodentellers beim Absinken der Drehzahl der Drehanode bis hin zum Stillstand z. B. durch eine Störung im Drehanodenantrieb, und unverändertem Elektronenstrom von der Kathode her innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne auftritt, ist auch von der Drehzahl-Überwachungseinrichtung bevorzugt eine sehr schnelle Abschaltung der zwischen Drehanode und Kathode anliegenden Gleichspannung durchführbar. Besonders bevorzugt erfolgt diese Abschaltung wieder innerhalb einer Millisekunde.
Vorteilhaft ist die Drehzahl-Überwachungseinrichtung außer zu dem genannten Unterbrechen des Elektronenstrahls wahlweise stattdessen oder zusätzlich ausgebildet zum kontinuierlichen Herunterregeln des Stromes des Elektronenstrahls, d. h. des Kathodenstromes, sobald die Drehzahl der Drehanode den Drehzahl-Grenzwert unterschreitet. Der Betrieb des Röntgengenerators wird dann bei einem unerwünschten Absinken der Drehzahl der Drehanode nicht vollständig unterbrochen; vielmehr kann auch hier ein sicherer, dauerhafter Betrieb aufrechterhalten werden, wodurch die Betriebssicherheit und der Bedienungskomfort des erfindungsgemäßen Röntgengenerators wesentlich erhöht werden.
Gemäß einer Abwandlung bzw. Umkehr der vorbeschriebenen Regelung des Kathodenstromes kann für den erfindungsgemäßen Röntgengenerator auch eine Abhängigkeit der Drehzahlregelung von der Regelung des Kathodenstromes vorgesehen sein, d. h. dass für einen vorgegebenen Kathodenstrom eine bestimmte Drehzahl automatisch derart eingestellt wird, dass ein sicherer, beschädigungsfreier Betrieb gewährleistet ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst der erfindungsgemäße Röntgengenerator eine Steuereinrichtung zum Steuern der Drehzahl der Drehanode in Abhängigkeit vom Strom des Elektronenstrahls und der Temperatur der Brennbahn und/oder zum Steuern des Stromes des Elektronenstrahls in Abhängigkeit von der Drehzahl der Drehanode und der Temperatur der Brennbahn.
Durch diese Ausgestaltung wird eine vorteilhafte Verbindung der Regelung der Drehzahl und des Kathodenstromes mit der Temperaturregelung bzw. der Temperaturüberwachung erhalten, die mit unterschiedlichen Abhängigkeiten ausgeführt sein kann. Insbesondere kann dabei die Steuereinrichtung eine Drehzahlregelung in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Brennbahn für einen vorgebbaren Kathodenstrom vornehmen, kombiniert mit einer Notabschaltung des Kathodenstromes, sobald die Temperatur der Brennbahn den Temperatur-Grenzwert überschreitet. Der Kathodenstrom kann auch in einer gesonderten Regelungseinrichtung auf einen vorgebbaren Strom-Sollwert regelbar sein, und die genannte Steuereinrichtung nimmt eine Drehzahlregelung in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Brennbahn für einen gemessenen Istwert des Kathodenstromes vor. Weiterhin kann die Steuereinrichtung eine Regelung des Kathodenstromes in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Brennbahn für eine vorgebbare Drehzahl der Drehanode vornehmen, kombiniert mit einer Notabschaltung des Kathodenstromes, sobald die Temperatur der Brennbahn den Temperatur-Grenzwert überschreitet. Die Drehzahl der Drehanode kann auch in einer gesonderten Regelungseinrichtung auf einen vorgebbaren Drehzahl-Sollwert regelbar sein, und die genannte Steuereinrichtung nimmt eine Regelung des Kathodenstromes in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Brennbahn für einen gemessenen Istwert der Drehzahl der Drehanode vor, wiederum kombiniert mit der Notabschaltung des Kathodenstromes, sobald die Temperatur der Brennbahn den Temperatur-Grenzwert überschreitet.
Nach einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgengenerators ist die Elektronen-Fokussiereinrichtung eingerichtet zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf einen zumindest im wesentlichen rechteckigen Brennfleck auf der Brennbahn. Insbesondere ist die Elektronen-Fokussiereinrichtung eingerichtet zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf einen rechteckig länglichen Brennfleck. Da die Strahlungsleistung der vom Brennfleck ausgehenden Röntgenstrahlung proportional zur Länge, aber nur proportional zur Quadratwurzel aus der Breite des Brennflecks ist, wird so auf effektive Weise die Strahlungsleistung der vom Brennfleck ausgehenden Röntgenstrahlung gesteigert.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist bei dem erfindungsgemäßen Röntgengenerator vom zumindest im wesentlichen rechteckigen und bevorzugt rechteckiglänglichen Brennfleck ein wenigstens nahezu paralleles Röntgenstrahlungsbündel unter einem vorgegebenen Abstrahlungswinkel zur Oberfläche des Anodentellers am Brennfleck abgebbar, wobei der Abstrahlungswinkel zum Verhältnis von Länge zu Breite des Brennflecks derart bemessen ist, dass das wenigstens nahezu parallele Röntgenstrahlungsbündel einen wenigstens nahezu quadratischen Querschnitt aufweist. Auf einfache Weise ist so die höhere Strahlungsleistung der vom Brennfleck ausgehenden Röntgenstrahlung in einem vorteilhaft universell verwendbaren Röntgenstrahlungsbündel zusammenfassbar.
Besonders bevorzugt ist dabei das Verhältnis von Länge zu Breite des Brennflecks wenigstens nahezu auf den Wert 10 und der Abstrahlungswinkel auf wenigstens nahezu einen Wert von 6° festgelegt. Da der Sinus eines Winkels von 6° näherungsweise 0,1 ist, lässt sich mit dieser Dimensionierung eine um einen Faktor 10 gesteigerte Strahlungsleistung in einem Röntgenstrahlungsbündel mit quadratischem Querschnitt abgeben.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße Röntgengenerator wenigstens eine Blendenanordnung zum Formen des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels auf. Beispielsweise kann eine derartige Blendenanordnung zwei in Richtung des Strahlengangs des Röntgenstrahlungsbündels voneinander beabstandet angeordnete Blenden mit quadratischem Durchlass für die Röntgenstrahlung aufweisen. In einer Variation dieser Ausgestaltung kann eine im nachstehenden noch näher erläuterte Anordnung vorgesehen sein.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung weist der erfindungsgemäße Röntgengenerator wenigstens eine Fokussierungseinrichtung zum Fokussieren des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels auf einen Brennpunkt auf. Bevorzugt wird die Fokussierung des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels durch Spiegel, die die Röntgenstrahlung reflektieren, vorgenommen, wodurch eine genauere Fokussierung und ein verringerter Verlust an Strahlungsleistung der Röntgenstrahlung erzielbar sind.
Besonders bevorzugt umfasst dazu bei dem erfindungsgemäßen Röntgengenerator jede der wenigstens einen Fokussierungseinrichtung wenigstens ein Spiegelpaar aus zwei Spiegeln für jede quer zum Strahlengang ausgerichtete Bündelungsrichtung, wobei die Spiegel eine in je einer Richtung gekrümmte Kontur aufweisen und diese Kontur durch eine logarithmische Spirale gebildet ist, und wobei die Pole der logarithmischen Spiralen der beiden Spiegel jedes der Spiegelpaare zusammenfallen.
Dabei ist unter einer logarithmischen Spirale eine Spirale zu verstehen, bei der sich mit jeder Umdrehung um ihren Mittelpunkt, der auch als Zentrum oder Pol der logarithmischen Spirale bezeichnet wird, der Abstand von diesem Mittelpunkt um den gleichen Faktor verändert. Jede Gerade durch den Mittelpunkt schneidet die logarithmische Spirale stets unter dem gleichen Winkel. Wegen dieser Eigenschaft wird die logarithmische Spirale auch als gleichwinklige Spirale bezeichnet. Durch diese Eigenschaft ist die logarithmische Spirale eindeutig charakterisiert.
Aufgrund der geometrischen Form der logarithmischen Spirale wird das wenigstens nahezu parallele Röntgenstrahlungsbündel im Mittelpunkt der logarithmischen Spiralen fokussiert. Die Fokussierung des Röntgenstrahlungsbündels und damit der Strahlungsleistung in einem Brennpunkt ermöglicht z. B. bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Röntgengenerators für die Kristallographie eine hohe Leistungskonzentration auf einem sehr kleinen Raum auf bzw. in dem zu bestrahlenden Objekt.
Eine besonders hohe Leistungskonzentration wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Röntgengenerators dadurch erhalten, dass zwei Spiegelpaare für zwei wenigstens weitgehend rechtwinklig zueinander ausgerichtete Bündelungsrichtungen hintereinander in den Strahlengang des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels gestellt sind und die Krümmungen der Konturen der Spiegel der verschiedenen Spiegelpaare derart unterschiedlich gewählt sind, dass eine Fokussierung des Röntgenstrahlungsbündels in den unterschiedlichen Bündelungsrichtungen auf denselben Brennpunkt erfolgt. Dadurch tritt in diesem Brennpunkt eine besonders hohe Strahlungsleistung der Röntgenstrahlung auf.
Eine vergleichbare, weitere Anordnung aus Spiegeln mit gemäß einer logarithmischen Spirale gekrümmten Konturen kann in einer Abwandlung der beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgengenerators an Stelle der wenigstens einen Blendenanordnung treten zum Formen des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels. Beispielsweise kann eine derartige weitere Anordnung aus Spiegeln zwei weitere in Richtung des Strahlengangs des Röntgenstrahlungsbündels hintereinander angeordnete Spiegelpaare aufweisen, mit denen die Röntgenstrahlung, die dazu vereinfacht als von einer punktförmigen Quelle ausgehend angenommen werden kann, zu einem im wesentlichen parallelen Röntgenstrahlungsbündel formbar ist. Dabei verläuft der Strahlengang der Röntgenstrahlung umgekehrt wie in der vorstehend beschriebenen wenigstens einen Fokussierungseinrichtung, d. h. die im wesentlichen punktförmige Quelle der Röntgenstrahlung ist im Mittelpunkt der in Form von logarithmischen Spiralen vorgenommenen Krümmungen der weiteren Spiegelpaare angeordnet.
Nach einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgengenerators ist zwischen der Drehanode und der hochemittierenden thermischen Niedrigtemperatur-Kathode eine auf einen konstanten Spannungswert einstellbare Gleichspannungsquelle angeschlossen. Diese Gleichspannungsquelle, die zum Liefern einer Beschleunigungsspannung für die Ladungsträger im Elektronenstrahl von der Kathode zur Anode ausgebildet ist, kann damit einfach aufgebaut sein.
In einer vorteilhaften Fortbildung ist die Gleichspannungsquelle dabei mit einer Stromregelstufe ausgebildet zum Regeln des Stromes des Elektronenstrahls über eine Regelung eines der Kathode zufließenden Stromes, d. h. des Kathodenstromes, auf einen konstant vorgebbaren Wert. Da eine erforderliche Fokussierung des Elektronenstrahles auf die Brennbahn auf dem Anodenteller von der Stromstärke des Kathodenstromes und damit derjenigen des Elektronenstrahles abhängt, ist eine solche Regelung vorteilhaft, um einen unveränderlichen Brennfleck des Elektronenstrahles entlang der Brennbahn auf der Anode zu erzeugen. Mit dieser Maßnahme wird die Zuverlässigkeit des Betriebs des erfindungsgemäßen Röntgengenerators erhöht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben, wobei übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Es zeigen:
1 ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Röntgengenerator in grob schematischer Darstellung,
2 eine erste Abwandlung des Beispiels des erfindungsgemäßen Röntgengenerators gemäß 1,
3 eine zweite Abwandlung des Beispiels des erfindungsgemäßen Röntgengenerators gemäß 1,
4 eine dritte Abwandlung des Beispiels des erfindungsgemäßen Röntgengenerators gemäß 1,
5 eine vierte Abwandlung des Beispiels des erfindungsgemäßen Röntgengenerators gemäß 1,
6 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines zumindest im wesentlichen rechteckigen Brennflecks sowie der Erzeugung eines wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels, und
7 ein Ausführungsbeispiel für eine Fokussierungseinrichtung zum Fokussieren des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels auf einen Brennpunkt.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Röntgengenerators in grob schematischer Darstellungsweise wiedergegeben und mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Der Röntgengenerator 100 umfasst eine hochemittierende thermische Niedrigtemperatur-Kathode 101 zum Abgeben eines Elektronenstrahls 102. Vorteilhaft ist die hochemittierende thermische Niedrigtemperatur-Kathode 101 als großflächige, beschichtete sogenannte Dispenser-Kathode ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist diese Kathode mit Bariumoxid beschichtet. In einer Abwandlung ist stattdessen eine Beschichtung aus einer Barium-Scandium-Legierung aufgebracht. In einer anderen Abwandlung ist die Kathode 101 als mit einem Überzug aus einer Legierung von Metallen der Platingruppe versehene, imprägnierte, d. h. getränkte, Wolfram-Kathode ausgestaltet. Derartig ausgebildete Kathoden zeigen bereits bei Betriebstemperaturen von ca. 900°C eine sehr gute Elektronenemission und sind damit in der Lage, einen hohen Kathodenstrom bei materialschonendem und energiesparendem Betrieb zu liefern, die abzuführende Verlustwärme gering zu halten und eine hohe Lebensdauer zu erreichen. Mit einer derartigen Kathode ist der erfindungsgemäße Röntgengenerator vorteilhaft bei hoher Dauerleistung einsetzbar.
Die Kathode 101 ist über zwei Heizanschlüsse 103, 104 mit einer Heizstromquelle 105 zum Liefern eines Heizstromes für das Aufheizen der Kathode 101 verbunden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Heizstromquelle 105 zum Einstellen bzw. Regeln des Heizstromes ausgebildet, bevorzugt derart, dass eine stabile Betriebstemperatur der Kathode eingestellt wird. Wahlweise ist die Heizstromquelle weiterhin vorteilhaft zum Absenken und/oder Unterbrechen des Heizstromes und damit des Elektronenstrahls 102 steuerbar, wie nachstehend noch näher erläutert wird.
Der Röntgengenerator 100 weist weiterhin eine einen Anodenteller 106 umfassende Drehanode 107 auf. Eine Elektronen-Fokussiereinrichtung 108 ist im Weg des Elektronenstrahls 102 zwischen der Kathode 101 und der Drehanode 107 angeordnet und dient zum Fokussieren des Elektronenstrahls 102 auf eine Brennbahn 109 entlang einer Oberfläche des Anodentellers 106. Der vereinfachten Darstellung halber ist die Elektronen-Fokussiereinrichtung 108 im Ausführungsbeispiel der 1 als einfache Kondensatoranordnung mit zwei mit einer Ablenkspannung beaufschlagbaren Plattenelektroden 110, 111 und je einem zugehörigen Ablenkspannungsanschluss 112, 113 grob schematisch abgebildet. In einer tatsächlichen Ausführung der Elektronen-Fokussiereinrichtung 108 sind weitere, auch umfangreichere Ablenkeinrichtungen, z. B. auch solche, die sich zum Ablenken des Elektronenstrahls 102 eines magnetischen Feldes bedienen, möglich.
Die Drehanode 107 ist in einer Lagereinrichtung 114 um eine Rotationsachse 115 drehbar geführt. Die Brennbahn 109 verläuft rotationssymmetrisch zur Rotationsachse 115, so dass bei Drehung der Drehanode 107 im Betrieb die Fokussierung des Elektronenstrahls 102 vom Drehwinkel der Drehanode 107, d. h. deren augenblicklicher Stellung, unabhängig ist. Im dargestellten Beispiel verläuft die Brennbahn 109 auf einer wenigstens weitgehend zylindrischen Berandung 117 am äußeren Umfang des Anodentellers 106. Bei einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit der Drehanode 107, d. h. einer vorgegebenen Drehzahl, ergibt sich damit die maximal mögliche Bewegungsgeschwindigkeit der Brennbahn 109 gegenüber einem Auftrefffleck des Elektronenstrahls 102 auf die Brennbahn 109, dem sogenannten Brennfleck 116, wodurch die Zeitspanne, während der der Brennfleck 116 auf einen bestimmten Abschnitt der Brennbahn 109 auf dem Anodenteller 106 fällt, so kurz wie möglich gehalten wird. Dies hält eine thermische Belastung, d. h. eine Aufheizung und damit einen Temperaturanstieg, der Brennbahn 109 unter dem Brennfleck 116 auf einem geringstmöglichen Wert.
Die wenigstens weitgehend zylindrische Berandung 117 am äußeren Umfang des Anodentellers 106, auf der die Brennbahn 109 verläuft, bildet einen von mehreren Wandbereichen des Anodentellers 106, der in 1 in einem grob schematischen Längsschnitt entlang der Rotationsachse 115 dargestellt ist. Die Berandung 117 grenzt in axialer Richtung an je einen im wesentlichen scheibenförmigen Wandbereich 118, 119, die wiederum mit einem zur Rotationsachse 115 rotationssymmetrischen Lagerteil 120 verbunden sind. Dadurch bilden die im wesentlichen scheibenförmigen Wandbereiche 118, 119 zusammen mit der wenigstens weitgehend zylindrischen Berandung 117 eine Verbindung zwischen der Brennbahn 109 und dem Lagerteil 120. Durch die wenigstens weitgehend zylindrische Berandung 117, die im wesentlichen scheibenförmigen Wandbereiche 118, 119 und das Lagerteil 120 wird ein gasdicht umschlossener Hohlraum 121 gebildet, der einerseits an die Brennbahn 109 und andererseits an das Lagerteil 120 grenzt. Der Anodenteller 106 ist zumindest im Bereich der wenigstens weitgehend zylindrischen Berandung 117, auf der die Brennbahn 109 verläuft, und dort wenigstens an der vom Elektronenstrahl 102 zu treffenden Oberfläche mit Kupfer ausgebildet. Damit ist dort eine gute Leitfähigkeit für den im Betrieb des Röntgengenerators 100 durch den Elektronenstrahl 102 transportierten elektrischen Strom, eine gute Wärmeleitfähigkeit zum Ableiten der durch das Auftreffen des Elektronenstrahls 102 auf die Brennbahn freiwerdenden Wärmeenergie und eine gute Temperaturbeständigkeit des Anodentellers 106 gegeben. Darüber hinaus ist die Drehanode 107, sind insbesondere aber der Anodenteller 106 und das Lagerteil 120, aus Gründen der mechanischen und thermischen Festigkeit sowie zum Gewährleisten einer guten elektrischen Leitfähigkeit aus Metall gefertigt.
Die Lagereinrichtung 114 weist zwischen dem mit der Drehanode 107 verbundenen Lagerteil 120, welches um die Rotationsachse 115 drehbar geführt ist und im Betrieb mit der Drehanode 107 und damit dem Anodenteller 106 rotiert, und einer demgegenüber feststehenden Lagerachse 122 ein Flüssigmetall-Gleitlager 123 auf. Dieses ist vorteilhaft mit Spiralrillen auf einander zugekehrten Gleitflächen des Lagerteils 120 und der Lagerachse 122 sowie einer zwischen dem Lagerteil 120 und der Lagerachse 122 angeordneten dünnen Schicht aus einer Legierung aus Gallium, Indium und Zinn als Schmiermittel ausgeführt. Diese Metalllegierung weist einen niedrigen Dampfdruck und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und ermöglicht einen einfachen konstruktiven Aufbau der Lagereinrichtung 114. Durch den niedrigen Dampfdruck wird ein Ausgasen des Schmiermittels auch unter Hochvakuum vermieden, und die gute Wärmeleitung ermöglicht eine schnelle und wirksame Übertragung von Wärmeenergie vom Anodenteller 106 auf die Lagerachse 122, welcher Vorteil der nachfolgend beschriebenen Einrichtung zum Kühlen der Brennbahn 109 zugutekommt.
In den Hohlraum 121 ist ein erstes Kühlmittel eingebracht, welches zum Kühlen der Brennbahn 109 auf dem Anodenteller 106 nach dem eingangs umrissenen Heat-Pipe-Prinzip dient. Dabei verdampft im Betrieb des Röntgengenerators 100 das erste Kühlmittel im Hohlraum 121 an der diesem zugekehrten inneren Oberfläche 124 der durch den Aufprall der Elektronen des Elektronenstrahls 102 auf die Brennfläche 109 aufgeheizten, wenigstens weitgehend zylindrischen Berandung 117. Zum Erreichen einer höchstmöglichen Wärmeleitfähigkeit ist die Wandstärke des Wandbereichs des Anodentellers 106 im Bereich der Berandung 117 so dünn ausgeführt, wie dies bei gleichzeitigem Einhalten der erforderlichen mechanischen Stabilität noch möglich ist. Bevorzugt beträgt diese Wandstärke 3 mm oder weniger.
Das verdampfte erste Kühlmittel gelangt zum Lagerteil 120, kondensiert dort und gibt seine Kondensationswärme an das Lagerteil 120 ab. Für einen verbesserten Übergang der Wärmeenergie aus dem ersten Kühlmittel auf das Lagerteil 120 ist dieses mit Rippen 125 ausgebildet, die der Vergrößerung der mit dem Kühlmittel in Berührung gelangenden Oberfläche des Lagerteils 120 sowie zusätzlich zu dessen mechanischer Stabilisierung dienen. In 1 sind die Rippen 125 mit gerader Oberkante und axial ausgerichtet skizziert; sie können auch eine davon abweichende Form und Ausrichtung aufweisen. Durch die Rotation der Drehanode 107 entstehende Fliehkräfte befördern das kondensierte erste Kühlmittel zu der inneren Oberfläche 124 der wenigstens weitgehend zylindrischen Berandung 117 zurück. Der auf diese Weise geschlossene Wärmekreislauf des ersten Kühlmittels nach dem Heat-Pipe-Prinzip ist in 1 durch Pfeile 126 symbolisiert. Der Hohlraum 121 ist somit zum Sieden des ersten Kühlmittels im Bereich der Brennbahn 109 und zum Kondensieren des ersten Kühlmittels im Bereich des Lagerteils 120 eingerichtet.
Die Lagerachse 122 des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Röntgengenerators 100 ist für ein durch Pfeile 127 symbolisiertes Durchströmen durch ein zweites Kühlmittel hohlwellenartig ausgebildet. Dadurch lässt sich das zweite Kühlmittel auf einfache Weise in die unmittelbare Nähe der Lagereinrichtung 114 führen, um von dort die vom ersten Kühlmittel an das Lagerteil 120 abgegebene Wärmeenergie aufzunehmen und aus dem Röntgengenerator 100 abzuführen. Dabei bildet das Flüssigmetall-Gleitlager 123 ein Wärmeleitelement zum Übertragen der Wärmeenergie zwischen dem Lagerteil 120 und der Lagerachse 122, d. h. zwischen dem ersten Kühlmittel und dem zweiten Kühlmittel. Insbesondere zum Vergrößern der inneren Oberfläche der Lagerachse 122 zwecks eines besseren Wärmeübergangs zwischen der Lagerachse 122 und dem zweiten Kühlmittel ist die Lagerachse 122 im Inneren mit Rippen 128, d. h. Kühlrippen, ausgebildet. Die Rippen 128 können axial zur Lagerachse 122 ausgerichtet sein, wodurch bevorzugt eine laminare Strömung des zweiten Kühlmittels in der Lagerachse 122 entsteht, oder sie können in einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform, z. B. durch tangential versetzte Anordnung oder dergleichen, zur Erzeugung von Turbulenzen im Strom des zweiten Kühlmittels zwecks besseren Wärmeübergangs eingerichtet sein. Insbesondere zur Erzeugung von Turbulenzen kann das Innere der Lagerachse 122 anstelle mit Rippen 128 oder zusätzlich zu diesen auch mit anderweitigen Ausformungen ausgestaltet sein, oder es können Einsätze in die Lagerachse 122 eingebracht sein, die die erwünschten Strömungsverhältnisse hervorrufen.
Insgesamt wird auf die vorbeschriebene Weise eine sehr leistungsfähige Kondensationskühlanordnung geschaffen, die mit dem zwischen der Brennbahn 109 und dem Lagerteil 120 der Drehanode 107 vorliegenden ersten Kühlmittel und der Ausgestaltung der Lagerachse 122 für ein Durchströmen durch das zweite Kühlmittel ausgebildet ist, wobei das Flüssigmetall-Gleitlager 123 ein wärmeleitendes Element zum Übertragen der Wärmeenergie zwischen dem ersten Kühlmittel und dem zweiten Kühlmittel bildet.
Die vorbeschriebenen Konstruktionselemente des Röntgengenerators 100, nämlich die Kathode 101, die Drehanode 107 und die Elektronen-Fokussiereinrichtung 108, sind von einem hermetisch verschlossenen, vakuumdichten Gehäuse 129 umschlossen. Vorteilhaft bildet die Lagerachse 122 ein Element dieses hermetisch verschlossenen, vakuumdichten Gehäuses 129. dadurch werden bewegliche Gehäusedurchführungen vermieden. Durch den hermetischen Abschluss des Gehäuses 129 gegenüber der Umgebung und den gezielten Verzicht auf jegliche Art von Öffnung, die Gasen oder anderen Verunreinigungen Zutritt zum Inneren des Gehäuses 129 und damit zu den vorbeschriebenen Konstruktionselementen des Röntgengenerators 100 ermöglichen könnten, wird jede Beeinträchtigung der Funktionsweise des Röntgengenerators 100 durch derartige Verunreinigungen von vornherein ausgeschlossen. Das Gehäuse 129 dient vorzugsweise ferner zum Abschirmen unerwünscht austretender Röntgenstrahlung.
Der Röntgengenerator 100 nach 1 weist weiterhin eine Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 zum Messen und/oder zum Überwachen der Temperatur des Anodentellers 106 im Bereich der Brennbahn 109 auf. Durch diese Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 wird eine thermische Überlastung der Drehanode 107, d. h. des Anodentellers 106 im Bereich der Brennbahn 109 durch das Auftreffen des Elektronenstrahls 102 vermieden, was insbesondere auch wegen der geringen Wandstärke in diesem Bereich bedeutsam ist. Insbesondere ist dabei die Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 mit einem Infrarotsensor 131 zum Messen der Temperatur des Anodentellers 106 im Bereich der Brennbahn 109 ausgebildet. Der Infrarotsensor 131 zeichnet sich durch eine sehr schnelle Messung, d. h. eine sehr kurze Reaktionszeit auf eine Änderung der zu messenden Temperatur, aus und ermöglicht daher eine präzise, reaktionsschnelle und damit hocheffektive Überwachung der Temperatur im Bereich der Brennbahn 109. Dadurch kann die genannte Wandstärke des Anodentellers 106 in diesem Bereich ohne Einbuße an Betriebssicherheit gegen Überhitzung gering gehalten werden. Der Infrarotsensor 131 ist für eine präzise und schnelle Messung bevorzugt innerhalb des Gehäuses 129 angeordnet und über eine Messleitung 132, die mittels einer Leitungsdurchführung 133 durch das Gehäuse 129 geführt ist, mit der Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 elektrisch verbunden. Über die Messleitung 132 wird ein Temperaturmesssignal an die Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 übertragen. Derartige Leitungsdurchführungen 133 sind im übrigen auch zur Durchführung der Heizanschlüsse 103, 104 sowie der Ablenkspannungsanschlüsse 112, 113 durch das Gehäuse 129 vorgesehen. Bevorzugt sind die Leitungsdurchführungen 133 elektrisch isolierend ausgebildet.
Die Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 ist vorteilhaft ausgebildet zum Herunterregeln und/oder zum Unterbrechen des Elektronenstrahls 102, sobald die Temperatur der Brennbahn 109 einen vorgegebenen Temperatur-Grenzwert überschreitet. Dazu ist die Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 über eine Steuerleitung 134 mit einer Gleichspannungsquelle 135 verbunden. Diese Gleichspannungsquelle 135 ist zwischen der Drehanode 106 und der hochemittierenden thermischen Niedrigtemperatur-Kathode 101 angeschlossen und dient der Bereitstellung einer Hochspannung zwischen der Kathode 101 und der Drehanode 107 zur Beschleunigung der Elektronen des Elektronenstrahls 102. Dazu ist ein negativer Pol 136 der Gleichspannungsquelle 135 über eine durch eine der Leitungsdurchführungen 133 geführte erste Hochspannungsleitung 137 mit einem Hochspannungsanschluss 138 der Kathode 101 verbunden. Ein positiver Pol 139 der Gleichspannungsquelle 135 ist über eine zweite Hochspannungsleitung 141 mit der Lagerachse 122 verbunden. Wahlweise kann der positive Pol 139 auch über die zweite Hochspannungsleitung 141 an das vakuumdichte Gehäuse 129 angeschlossen und dieses mit der Lagerachse 122 verbunden sein. Gehäuse 129 und Lagerachse 122 sind bevorzugt stets miteinander elektrisch leitend verbunden und an Massepotential 140 angeschlossen, um Gefährdungen durch die Hochspannung und Isolationsprobleme auf ein Minimum zu begrenzen. Über die Lagerachse 122, das Flüssigmetall-Gleitlager 123 sowie das ebenfalls elektrisch leitende Lagerteil 120 und die elektrisch leitenden Wandbereiche 118, 119 besteht eine elektrische Verbindung vom positiven Pol 139 der Gleichspannungsquelle 135 zur Brennbahn auf der wenigstens weitgehend zylindrischen Berandung 117 des Anodentellers 106.
Vorteilhaft ist die Gleichspannungsquelle 135 im Betrieb des Röntgengenerators 100 auf einen konstanten Spannungswert einstellbar und liefert damit eine konstante Beschleunigungsspannung zwischen Kathode 101 und Drehanode 107. Besonders bevorzugt ist die Gleichspannungsquelle 135 jedoch mit einer Stromregelstufe ausgebildet zum Regeln des Stromes des Elektronenstrahls 102 über eine Regelung eines der Kathode 101 über die erste Hochspannungsleitung 137 zufließenden Stromes, d. h. des Kathodenstromes des Röntgengenerators 100, auf einen konstant vorgebbaren Wert. Wie vorstehend beschrieben erleichtert diese Regelung die Fokussierung des Elektronenstrahls 102 auf einen definierten Brennfleck 116. Außerdem bietet eine Regelung des Kathodenstromes eine erhöhte Sicherheit vor thermischer Überlastung der Drehanode 107.
Wie vorstehend angegeben ist die Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 ausgebildet zum Herunterregeln und/oder zum Unterbrechen des Elektronenstrahls 102, sobald die Temperatur der Brennbahn 109 einen vorgegebenen Temperatur-Grenzwert überschreitet. Ein dieses Herunterregeln bzw. Unterbrechen auslösendes Steuersignal wird von der Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 über die Steuerleitung 134 an die Gleichspannungsquelle 135 geleitet. Die Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 ist wahlweise derart ausgebildet, dass entweder ein stetiges Herunterregeln des Elektronenstrahls 102 über ein kontinuierliches Herunterregeln des Kathodenstromes und damit ein Ausgleichen der Überhöhung der Temperatur der Brennbahn 109 hinunter auf den vorgegebenen Temperatur-Grenzwert und ein Halten dieses Temperaturwertes erfolgt, oder dass der Elektronenstrahl über ein vorzugsweise schnelles, abruptes Unterbrechen des Kathodenstroms schnell abgeschaltet wird, um zwecks Vermeidung von Schäden eine möglichst rasche Abkühlung der Brennbahn 109 zu erzielen.
In einer Abwandlung des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels ist wahlweise oder bevorzugt zusätzlich zur Steuerleitung 134 für das das Herunterregeln bzw. Unterbrechen des Kathodenstromes auslösende Steuersignal von der Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 an die Gleichspannungsquelle 135 eine zweite Steuerleitung 142 vorgesehen, die von der Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 an die Heizstromquelle 105 führt. Ein von der Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 über die zweite Steuerleitung 142 der Heizstromquelle 105 zuführbares zweites Steuersignal dient zum Steuern der Heizstromquelle 105 derart, dass bei Auftreten einer unzulässig hohen Temperatur der Brennbahn 109 oberhalb des vorgegebenen Temperatur-Grenzwertes der von der Heizstromquelle 105 über die Heizanschlüsse 103, 104 an die Kathode 101 gelieferte Heizstrom wahlweise kontinuierlich heruntergeregelt oder schnell unterbrochen, d. h. abgeschaltet wird.
Der Röntgengenerator 100 nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst weiterhin eine Drehzahl-Überwachungseinrichtung 143 zum Messen und/oder Überwachen der Drehzahl der Drehanode 107. Dazu ist die Drehzahl-Überwachungseinrichtung 143 über eine zweite Messleitung 144 mit einem Drehzahlsensor 145 verbunden. Die zweite Messleitung 144 ist zum Übertragen eines die Drehzahl der Drehanode 107 repräsentierenden Drehzahlmesssignals vom Drehzahlsensor 145 an die Drehzahl-Überwachungseinrichtung 143 eingerichtet. Der Drehzahlsensor 145 kann dabei mit einer Lichtschrankenanordnung ausgebildet sein, durch die ein Passieren von in der Drehanode 107 angebrachten und mit deren Drehung umlaufenden Markierungen, z. B. Schlitzen, detektiert wird. In der besonders bevorzugten und hier dargestellten Ausführungsform weist jedoch die Drehanode 107 ein bezüglich der Rotationsachse 115 wenigstens weitgehend rotationssymmetrisches Element 146 mit entlang seines Umfangs variierenden magnetischen Eigenschaften auf. Der Drehzahlsensor 145 ist als Hallsensor zum Detektieren der variierenden magnetischen Eigenschaften und zum dadurch Messen der Drehzahl der Drehanode 107 ausgebildet. Dazu ist der Drehzahlsensor, d. h. der Hallsensor 145, im Inneren des Gehäuses 129 bevorzugt dicht am rotationssymmetrischen Element 146 angeordnet, und die zweite Messleitung 144 ist durch eine der Leitungsdurchführungen 133 zu der voreilhaft außerhalb des Gehäuses 129 angeordneten Drehzahl-Überwachungseinrichtung 143 geführt.
Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist weiterhin vorteilhaft das bezüglich der Rotationsachse 115 wenigstens weitgehend rotationssymmetrische Element 146 mit entlang seines Umfangs variierenden magnetischen Eigenschaften Teil eines Rotors 147 eines Antriebsmotors der Drehanode 107. Besonders vorteilhaft ist der Rotor 147 des Antriebsmotors der Drehanode 107 nach 1 mit einem auf der Lagerachse drehbar angeordneten, eisenbeschichteten, rohrförmigen Rotorkörper 148 aus Kupfer ausgebildet, in dem entlang seines Umfangs Bereiche variierender magnetischer Eigenschaften gebildet sind, entweder durch unterschiedliche Vormagnetisierung oder bevorzugt durch Ausnehmungen wenigstens in der Eisenbeschichtung 149. In entsprechender Weise sind auch die variierenden magnetischen Eigenschaften des wenigstens weitgehend rotationssymmetrischen Elements 146 erzeugt; bevorzugt bildet das wenigstens weitgehend rotationssymmetrische Element 146 einen Teil des Rotors 147. Insbesondere erstreckt sich zum Ausbilden einer Lagerung des Rotors 147 das Flüssigmetall-Gleitlager 123 auch zwischen die Lagerachse 122 und den Rotor 147, und das Lagerteil 120 und der Rotorkörper 148 sind einstückig aus einem Kupferrohr gebildet. Damit ergibt sich ein einfacher, präziser, leichter und robuster Aufbau.
Die Drehzahl-Überwachungseinrichtung 143 des Röntgengenerators 100 nach 1 ist zum Herunterregeln und/oder Unterbrechen des Elektronenstrahls 102 in einer zu der Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 entsprechenden Weise ausgebildet. Dazu ist die Drehzahl-Überwachungseinrichtung 143 über eine dritte Steuerleitung 150 mit der Gleichspannungsquelle 135 zum Zuleiten eines dritten Steuersignals von der Drehzahl-Überwachungseinrichtung 143 an die Gleichspannungsquelle 135 verbunden. Durch das dritte Steuersignal wird der von der Gleichspannungsquelle 135 gespeiste Kathodenstrom wahlweise kontinuierlich heruntergeregelt, sobald die Drehzahl der Drehanode 107 einen Drehzahl-Grenzwert unterschreitet und damit der Elektronenstrahl 102 zu lange auf ein und dieselbe Stelle der Brennbahn 109 einwirken würde, so dass diese sich dort übermäßig erwärmen würde, oder wird der Kathodenstrom über die zwischen der Drehanode 107 und der Kathode 101 anliegende Gleichspannung schnell abgeschaltet und wird damit der Elektronenstrahl 102 abrupt unterbrochen. Besonders bevorzugt erfolgt diese schnelle Abschaltung wie auch die durch die Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 ausgelöste schnelle Abschaltung innerhalb einer Millisekunde.
Die Drehzahl-Überwachungseinrichtung 143 des Röntgengenerators 100 nach 1 ist ferner wahlweise oder zusätzlich über eine vierte Steuerleitung 151 mit der Heizstromquelle 105 zum Zuleiten eines vierten Steuersignals von der Drehzahl-Überwachungseinrichtung 143 an die Heizstromquelle 105 verbunden. Durch das vierte Steuersignal wird der von der Heizstromquelle 105 gespeiste Heizstrom wahlweise kontinuierlich heruntergeregelt, sobald die Drehzahl der Drehanode 107 einen Drehzahl-Grenzwert unterschreitet, oder wird der Heizstrom schnell abgeschaltet und wird damit der Elektronenstrahl 102 wahlweise kontinuierlich heruntergeregelt oder schnell unterbrochen.
Als Gegenstück des Rotors 147 des Antriebsmotors der Drehanode 107 ist ein in 1 nur grob schematisch angedeuteter Stator 152 vorgesehen. Vorteilhaft ist der Rotor 147 innerhalb des Gehäuses 129, der Stator 152 jedoch außerhalb des Gehäuses 129 angeordnet. Damit ist z. B. der Vorteil verbunden, dass der Stator 152 etwa für Reparaturen leichter zugänglich ist und dass die zu seinem Aufbau verwendeten Werkstoffe, insbesondere organische Isolierstoffe, keine Verunreinigungen in das Gehäuse 129 eintragen können. Die Wand des Gehäuses 129 im Raumbereich des Spaltes zwischen Rotor 147 und Stator 152 ist aus nichtmagnetischem Werkstoff gebildet.
Der Röntgengenerator 100 nach 1 weist weiterhin eine Steuereinrichtung 153 auf. Die Steuereinrichtung 153 ist wahlweise eingerichtet zum Steuern der Drehzahl der Drehanode 107 in Abhängigkeit vom Strom des Elektronenstrahls 102 und der Temperatur der Brennbahn 109 und/oder zum Steuern des Stromes des Elektronenstrahls 102 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Drehanode 107 und der Temperatur der Brennbahn 109.
Zum Steuern der Drehzahl der Drehanode 107 in Abhängigkeit vom Strom des Elektronenstrahls 102 und der Temperatur der Brennbahn 109 ist die Steuereinrichtung 153 über eine erste Verbindungsleitung 154 mit der Gleichspannungsquelle 135 und über eine zweite Verbindungsleitung 155 mit der Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 verbunden. Dabei ist die erste Verbindungsleitung 154 eingerichtet zum Übertragen eines die Stromstärke des Kathodenstromes repräsentierenden Strommesssignals, welches von der Gleichspannungsquelle 135 abgegeben wird, an die Steuereinrichtung 153. Die zweite Verbindungsleitung 155 ist eingerichtet zum Übertragen des Temperaturmesssignals aus dem Infrarotsensor 131 über die Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 an die Steuereinrichtung 153. Aus dem Strommesssignal und dem Temperaturmesssignal wird in der Steuereinrichtung 153 ein Antriebssteuersignal erzeugt, durch das der Antriebsmotor der Drehanode 107 gesteuert wird. Insbesondere wird durch das Antriebssteuersignal wenigstens ein Strom im Stator 152 des Antriebsmotors der Drehanode 107 gesteuert.
Zum Steuern des Stromes des Elektronenstrahls 102 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Drehanode 107 und der Temperatur der Brennbahn 109 ist die Steuereinrichtung 153 weiterhin über die erste Verbindungsleitung 154 mit der Gleichspannungsquelle 135 und über die zweite Verbindungsleitung 155 mit der Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 verbunden. Auch ist die zweite Verbindungsleitung 155 weiterhin eingerichtet zum Übertragen des Temperaturmesssignals aus dem Infrarotsensor 131 über die Temperatur-Überwachungseinrichtung 130 an die Steuereinrichtung 153. Hinzu kommt eine dritte Verbindungsleitung 156, über die die Steuereinrichtung 153 mit der Drehzahl-Überwachungseinrichtung 143 verbunden ist zum Übertragen des Drehzahlmesssignals vom Drehzahlsensor 145 über die zweite Messleitung 144 und die Drehzahl-Überwachungseinrichtung 143 an die Steuereinrichtung 153. Aus dem Temperaturmesssignal und dem Drehzahlmesssignal wird in der Steuereinrichtung 153 ein Kathodenstromsteuersignal gebildet. Das Kathodenstromsteuersignal ist vorgesehen zum Steuern des Kathodenstromes des Röntgengenerators 100 und damit des Stromes des Elektronenstrahls 102. Auch zu diesem Zweck ist vorteilhaft die Gleichspannungsquelle 135 wie beschrieben mit einer Stromregelstufe ausgebildet. In Abwandlung des vorbeschriebenen Steuerns der Drehzahl der Drehanode 107 in Abhängigkeit vom Strom des Elektronenstrahls 102 und der Temperatur der Brennbahn 109 ist für das Steuern des Stromes des Elektronenstrahls 102 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Drehanode 107 und der Temperatur der Brennbahn 109 die erste Verbindungsleitung 154 jetzt eingerichtet zum Übertragen des Kathodenstromsteuersignals von der Steuereinrichtung 153 an die Gleichspannungsquelle 135.
Zusätzlich kann die Steuereinrichtung 153 vorteilhaft dazu ausgebildet sein, den Strom des Elektronenstrahls 102 bei einer Überhitzung der Brennbahn 109 herunterzuregeln bzw. zu unterbrechen. Dies erfolgt in dem in 1 dargestellten Beispiel über eine fünfte bzw. eine sechste Steuerleitung 157 bzw. 158, die von der Steuereinrichtung 153 an die Gleichspannungsquelle 135 bzw. an die Heizstromquelle 105 geführt sind. Wahlweise kann die fünfte Steuerleitung 157 auch zum Übertragen des Kathodenstromsteuersignals von der Steuereinrichtung 153 an die Gleichspannungsquelle 135 genutzt werden, bzw. es kann bevorzugt vom Kathodenstromsteuersignal auch das Steuern des Herunterregelns bzw. Unterbrechens des Kathodenstromes ausgeführt werden. Die erste Verbindungsleitung 154 ist dann ausschließlich eingerichtet zum Übertragen des Strommesssignals an die Steuereinrichtung und muss nicht zwischen unterschiedlichen Betriebsfällen umgeschaltet werden.
Die 2 bis 5 zeigen verschiedene Ausgestaltungen der Funktion der Steuerschaltung 153, durch die eine vorteilhafte Verbindung der Regelung der Drehzahl der Drehanode 107 und des Kathodenstromes mit der Temperaturregelung bzw. der Temperaturüberwachung erhalten wird, die mit einigen beispielhaft gezeigten unterschiedlichen Abhängigkeiten ausgeführt ist. Dabei sind die Verbindungen der Steuerschaltung 153 mit anderen Elementen des Röntgengenerators 100 der Vereinfachung halber nur zum Teil dargestellt oder angedeutet.
Insbesondere ist gemäß 2 die Steuereinrichtung ausgebildet zum Ausführen einer Drehzahlregelung in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Brennbahn 109 für einen vorgebbaren Kathodenstrom, kombiniert mit einer Notabschaltung des Kathodenstromes, sobald die Temperatur der Brennbahn 109 den Temperatur-Grenzwert überschreitet. Dazu werden der Steuerschaltung 153 das Temperaturmesssignal über die zweite Verbindungsleitung 155 und das Drehzahlmesssignal über die dritte Verbindungsleitung 156 zugeleitet. In der Steuereinrichtung 153 wird daraus das Antriebssteuersignal zum Steuern wenigstens eines Stromes im Stator 152 des Antriebsmotors der Drehanode 107 gebildet und dem mit der Steuereinrichtung 153 verbundenen Stator 152 dieser wenigstens eine Strom zugeführt. Außerdem wird in der Steuereinrichtung 153 ein Notabschaltsignal erzeugt und damit über die fünfte Steuerleitung 157 die Gleichspannungsquelle 135 und wahlweise auch über die sechste Steuerleitung 158 die Heizstromquelle 105 zum Herunterregeln bzw. Unterbrechen des Elektronenstromes 102 gesteuert.
Gemäß der Abwandlung nach 3 ist der Kathodenstrom und damit der Elektronenstrom 102 in einer gesonderten Regelungseinrichtung 159 auf einen vorgebbaren Strom-Sollwert regelbar, der über einen Strom-Sollwertanschluss 160 der Regelungseinrichtung 159 zugeführt wird. Über die erste Verbindungsleitung 154 wird der Regelungseinrichtung 159 weiterhin das Strommesssignal von der Gleichspannungsquelle 135 zugeleitet. Ein aus einem Vergleich des Strom-Sollwertes mit dem Strommesssignal in der Regelungseinrichtung 159 gebildetes Strom-Stellsignal wird über eine Strom-Stellsignalleitung 161 von der Regelungseinrichtung 159 an die Gleichspannungsquelle 135 zum Steuern des Kathodenstromes geleitet. Außerdem wird das Strommesssignal von der Gleichspannungsquelle 135 auch der Steuereinrichtung 153 zugeleitet. Die Steuereinrichtung 153 erhält ferner das Temperaturmesssignal über die zweite Verbindungsleitung 155 sowie das Drehzahlmesssignal über die dritte Verbindungsleitung 156 zugeführt. Die Steuereinrichtung 153 erzeugt daraus das Antriebssteuersignal und nimmt damit eine Drehzahlregelung des Antriebsmotors der Drehanode 107 in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Brennbahn 109 für einen gemessenen Istwert des Kathodenstromes über eine Steuerung wenigstens eines Stromes im Stator 152 des Antriebsmotors der Drehanode 107 vor.
In der Abwandlung nach 4 nimmt die Steuereinrichtung 153 eine Regelung des Kathodenstromes in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Brennbahn 109 für eine vorgebbare Drehzahl der Drehanode 107 vor, kombiniert mit einer Notabschaltung des Kathodenstromes, sobald die Temperatur der Brennbahn 109 den Temperatur-Grenzwert überschreitet. Dazu wird der Steuerschaltung 153 über einen Drehzahl-Sollwertanschluss 162 ein Drehzahl-Sollwert und über die zweite Verbindungsleitung 155 das Temperaturmesssignal zugeführt. Über die fünfte Steuerleitung 157 erfolgt die Steuerung der Gleichspannungsquelle 135.
Die Abwandlung nach 5 zeigt eine Regelung der Drehzahl der Drehanode 107 auf einen vorgebbaren Drehzahl-Sollwert in einer gesonderten Drehzahl-Regelungseinrichtung 163. Die Steuereinrichtung 153 nimmt dabei eine Regelung des Kathodenstromes in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Brennbahn 109 für einen gemessenen Istwert der Drehzahl der Drehanode 107 vor, wiederum kombiniert mit der Notabschaltung des Kathodenstromes, sobald die Temperatur der Brennbahn 109 den Temperatur-Grenzwert überschreitet. Der Drehzahl-Regelungseinrichtung 163 werden dazu über die zweite Messleitung 144 das Drehzahlmesssignal und über den Drehzahl-Sollwertanschluss 162 der Drehzahl-Sollwert zugeleitet. In der Drehzahl-Regelungseinrichtung 163 wird daraus nun das Antriebssteuersignal erzeugt und damit eine Drehzahlregelung des Antriebsmotors der Drehanode 107 auf den Drehzahl-Sollwert über eine Steuerung wenigstens eines Stromes im Stator 152 des Antriebsmotors der Drehanode 107 vorgenommen. Von der Drehzahl-Regelungseinrichtung 163 wird der Steuereinrichtung 153 über die dritte Verbindungsleitung 156 das Drehzahlmesssignal und ferner über die zweite Verbindungsleitung 155 das Temperaturmesssignal zugeführt. Die Steuereinrichtung 153 nimmt eine Regelung des Kathodenstromes in Abhängigkeit von der gemessenen Drehzahl der Drehanode 107 und der gemessenen Temperatur der Brennbahn 109 vor, kombiniert mit einer Notabschaltung des Kathodenstromes, sobald die Temperatur der Brennbahn 109 den Temperatur-Grenzwert überschreitet und/oder die Drehzahl der Drehanode 107 einen Drehzahl-Grenzwert unterschreitet. Die Steuerung der Gleichspannungsquelle 135 erfolgt auch hier wieder über die fünfte Steuerleitung 157.
In 6 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines zumindest im wesentlichen rechteckigen Brennflecks 116 sowie der Erzeugung eines wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels 164 wiedergegeben, wie es unter dem Aufprall des von der Elektronen-Fokussiereinrichtung 108 auf den Brennfleck 116 fokussierten Elektronenstrahls 102 vom Anodenteller 106 abgestrahlt wird. Das wenigstens nahezu parallele Röntgenstrahlungsbündel 164 wird dabei durch eine Blendenanordnung 165 mit zwei zueinander in einer vom Brennfleck 116 ausgehenden Abstrahlungsrichtung des Röntgenstrahlungsbündels 164 beabstandet angeordneten Lochblenden 166, 167 aus der insgesamt vom Anodenteller 106 an der Stelle des Brennflecks 109 abgegebenen Röntgenstrahlung geformt, d. h. aus der Gesamtheit der vom Anodenteller 106 im Bereich des Brennflecks 109 abgegebenen Röntgenstrahlung durch in den Lochblenden 166, 167 geformte Durchlässe, d. h. für Röntgenstrahlung durchlässige Bereiche wie z. B. Ausschnitte oder Öffnungen, aber auch Strahlungsfenster, hindurch gelassen. Ein derartiger Durchlass 173 für das Röntgenstrahlungsbündel 164 ist auch im Gehäuse 129 des Röntgengenerators 100 ausgebildet, wobei dieser Durchlass 173 als ein zwar strahlungsdurchlässiges, aber vakuumdichtes Fenster im Gehäuse 129 ausgestaltet ist.
Der Brennfleck 116 weist eine Länge 168 quer zur Bewegungsrichtung 170 des Anodentellers 106 bzw. der Brennbahn 109 auf, die einem bestimmten Vielfachen einer Breite 169 des Brennflecks 116 in der Bewegungsrichtung 170 des Anodentellers 106 bzw. der Brennbahn 109 entspricht. Wird nun durch die Lochblenden 166, 167 vom zumindest im wesentlichen rechteckigen Brennfleck 116 das wenigstens nahezu parallele Röntgenstrahlungsbündel 164 unter einem vorgegebenen Abstrahlungswinkel 171 zur Oberfläche des Anodentellers 106 am Brennfleck 116 abgegeben und geformt, ist der Abstrahlungswinkel 171 zum Verhältnis von Länge 168 zu Breite 169 des Brennflecks 116 vorteilhaft derart bemessen, dass das wenigstens nahezu parallele Röntgenstrahlungsbündel 164 einen wenigstens nahezu quadratischen Querschnitt aufweist, d. h. dass die Breite 169 des Brennflecks 116 und damit des Röntgenstrahlungsbündels 164 wenigstens nahezu gleich einer Höhe 172 des Röntgenstrahlungsbündels 164 ist. Die Durchlässe in den Lochblenden 166, 167 sind dann ebenfalls wenigstens nahezu quadratisch.
In einer bevorzugten Dimensionierung dieser Abmessungen weist der Brennfleck 116 eine Länge 168 quer zur Bewegungsrichtung 170 des Anodentellers 106 bzw. der Brennbahn 109 auf, die dem Zehnfachen einer Breite 169 des Brennflecks 116 in der Bewegungsrichtung 170 des Anodentellers 106 bzw. der Brennbahn 109 entspricht. Um für das wenigstens nahezu parallele Röntgenstrahlungsbündel 164 einen wenigstens nahezu quadratischen Querschnitt zu erhalten, ist dazu passend der Abstrahlungswinkel 171 auf wenigstens nahezu 6° festgelegt. Beispielsweise beträgt die Länge 168 des Brennflecks 116 etwa 1 mm, und die Breite 169 beträgt 0,1 mm. Daraus wird ein Röntgenstrahlungsbündel 164 mit einem Querschnitt von 0,1 mm·0,1 mm gewonnen.
7 zeigt in grob schematischer, perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Fokussierungseinrichtung 174 zum Fokussieren des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels 164 auf einen Brennpunkt 175. Die Fokussierungseinrichtung 174 ist bevorzugt mit dem Röntgengenerator 100 in einer gemeinsamen Baugruppe kombiniert, wodurch ein Röntgengenerator 100 erhalten wird, der zum Liefern einer sehr hohen Strahlungsleistung der Röntgenstrahlung im Brennpunkt 175, d. h. einer sehr hohen räumlichen Leistungskonzentration, eingerichtet ist. Damit ermöglicht die Fokussierung des Röntgenstrahlungsbündels, d. h. der Strahlungsleistung, im Brennpunkt 175 eine hohe Leistungskonzentration auf einem sehr kleinen Raum, insbesondere auf bzw. in einem zu bestrahlenden Objekt, was z. B. bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Röntgengenerators 100 für die Kristallographie vorteilhaft nutzbar ist. Dazu ist bevorzugt die Fokussierungseinrichtung 174 unmittelbar an den Durchlass 173 des Gehäuses 129 anschließend angeordnet.
Die Fokussierungseinrichtung 174 des Ausführungsbeispiels gemäß 7 umfasst ein erstes und ein zweites Spiegelpaar 176, 177 aus je zwei Spiegeln 178, 179 bzw. 180, 181, wobei je eines der Spiegelpaare 176, 177 für je eine von zwei quer zum Strahlengang 184 bzw. 185 des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels 164 ausgerichteten Bündelungsrichtungen 182, 183 vorgesehen ist. Dabei ist in 7 der Strahlengang des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels 164, wie es die Blendenanordnung 165 passiert, mit dem Bezugszeichen 184 bezeichnet. Das Bezugszeichen 185 bezeichnet eine Mittelachse des Strahlengangs des Röntgenstrahlungsbündels 164 zwischen dem ersten Spiegelpaar 176 und dem zweiten Spiegelpaar 177. Die Spiegel 178, 179 bzw. 180, 181 sind aus die Röntgenstrahlung gut reflektierendem Werkstoff gefertigt. In der perspektivischen Darstellung der 7 sind die Spiegelpaare 176, 177 und damit die Bündelungsrichtungen 182, 183 derart eingezeichnet, dass eine erste 182 der beiden Bündelungsrichtungen 182, 183 zumindest im wesentlichen rechtwinklig zur zweiten Bündelungsrichtung 183 angeordnet ist. Eine Bündelung des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels 164 erfolgt im ersten Spiegelpaar 176 in der ersten Bündelungsrichtung 182 und im zweiten Spiegelpaar 177 in der zweiten Bündelungsrichtung 183. Um diese Bündelung zu erreichen, weisen die Spiegel 178, 179 bzw. 180, 181 eine in je einer Richtung gekrümmte Kontur auf und ist diese Kontur durch eine logarithmische Spirale gebildet, wobei die Pole der logarithmischen Spiralen der beiden Spiegel 178, 179 bzw. 180, 181 jedes der Spiegelpaare 176 bzw. 177 zusammenfallen.
Wie oben beschrieben verändert sich bei einer logarithmischen Spirale mit jeder Umdrehung um ihren Mittelpunkt der Abstand von diesem Mittelpunkt um den gleichen Faktor und schneidet jede Gerade durch den Mittelpunkt die logarithmische Spirale stets unter dem gleichen Winkel. Aufgrund der geometrischen Form der logarithmischen Spirale wird das wenigstens nahezu parallele Röntgenstrahlungsbündel 164 im Mittelpunkt der logarithmischen Spiralen der Spiegel 178, 179 bzw. 180, 181 jedes der Spiegelpaare 176 bzw. 177 fokussiert.
In der Fokussierungseinrichtung 174 nach 7 sind die beiden Spiegelpaare 176 bzw. 177 für die beiden Bündelungsrichtungen 182 bzw. 183, hintereinander in den Strahlengang 184 bzw. 185 des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels 164 gestellt d. h. das erste Spiegelpaar 176 für die erste Bündelungsrichtung 182 steht im Strahlengang 184, und das zweite Spiegelpaar 177 für die zweite Bündelungsrichtung 182 steht hinter dem ersten Spiegelpaar 176 im Strahlengang 185. Die Krümmungen der Konturen der Spiegel 178, 179 bzw. 180, 181 der verschiedenen Spiegelpaare 176 bzw. 177 sind derart unterschiedlich gewählt, dass eine Fokussierung des Röntgenstrahlungsbündels 164 in den unterschiedlichen Bündelungsrichtungen 182 bzw. 183 auf denselben Brennpunkt 175 erfolgt. Die Spiegel 178, 179 des ersten Spiegelpaares 176 sind dabei bevorzugt ausschließlich in einer durch die erste Bündelungsrichtung 182 und den Strahlengang 184 des Röntgenstrahlungsbündels 164 vor dem ersten Spiegelpaar 176 aufgespannten Ebene gekrümmt, die logarithmische Spirale der betreffenden Krümmung liegt in dieser Ebene, wohingegen die Spiegel 178, 179 senkrecht zu dieser Ebene keine Krümmung aufweisen. In derselben Art sind die Spiegel 180, 181 des zweiten Spiegelpaares 177 bevorzugt ausschließlich in einer durch die zweite Bündelungsrichtung 183 und den Strahlengang 185 des Röntgenstrahlungsbündels 164 zwischen dem ersten Spiegelpaar 176 und dem zweiten Spiegelpaar 177 aufgespannten Ebene gekrümmt und weisen senkrecht zu dieser Ebene keine Krümmung auf.
In einer Variation der in 6 skizzierten Anordnung zum Gewinnen des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels 164 ist vorteilhaft auch eine der vorstehend beschriebenen Fokussierungseinrichtung 174 vergleichbare, weitere Anordnung aus Spiegeln mit gemäß einer logarithmischen Spirale gekrümmten Konturen einsetzbar, die an die Stelle der Blendenanordnung 165 zum Formen des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels 164 treten kann. Beispielsweise kann eine derartige weitere Anordnung aus Spiegeln zwei weitere in Richtung des Strahlengangs des Röntgenstrahlungsbündels hintereinander angeordnete Spiegelpaare aufweisen, mit denen die Röntgenstrahlung, die dazu vereinfacht als von einer punktförmigen Quelle ausgehend angenommen werden kann, zu einem im wesentlichen parallelen Röntgenstrahlungsbündel formbar ist. Um eine wenigstens weitgehend angenähert punktförmige Quelle für die Röntgenstrahlung zu erreichen, ist bevorzugt der Brennfleck 109 durch eine angepasste Fokussierung des Elektronenstrahls 102 entsprechend zu formen, z. B. im wesentlichen kreisscheibenförmig. Dabei verläuft der Strahlengang der Röntgenstrahlung umgekehrt wie in der vorstehend beschriebenen Fokussierungseinrichtung 174, d. h. die im wesentlichen punktförmige Quelle der Röntgenstrahlung ist im Mittelpunkt der in Form von logarithmischen Spiralen vorgenommenen Krümmungen der weiteren Spiegelpaare angeordnet. Mit dieser an die Stelle der Blendenanordnung 165 tretenden weiteren Anordnung aus Spiegeln ist bei entsprechender Dimensionierung der Spiegel eine Steigerung des nutzbaren Anteils der insgesamt im Röntgengenerator erzeugten Röntgenstrahlung erreichbar.
Bezugszeichenliste

100: Röntgengenerator
101: Hochemittierende thermische Niedrigtemperatur-Kathode
102: Elektronenstrahl
103: Heizanschluss
104: Heizanschluss
105: Heizstromquelle
106: Anodenteller
107: Drehanode
108: Elektronen-Fokussiereinrichtung
109: Brennbahn
110: Plattenelektrode
111: Plattenelektrode
112: Ablenkspannungsanschluss
113: Ablenkspannungsanschluss
114: Lagereinrichtung
115: Rotationsachse
116: Brennfleck
117: Wenigstens weitgehend zylindrische Berandung
118: Wandbereich
119: Wandbereich
120: Lagerteil
121: Gasdicht umschlossener Hohlraum von 107
122: Lagerachse
123: Flüssigmetall-Gleitlager
124: Innere Oberfläche von 117
125: Rippen an 120
126: Wärmekreislauf des ersten Kühlmittels
127: Durchströmen des zweiten Kühlmittels durch 122
128: Rippen in 122
129: Vakuumdichtes Gehäuse
130: Temperatur-Überwachungseinrichtung
131: Infrarotsensor
132: Messleitung (für Temperaturmesssignal)
133: Leitungsdurchführung
134: Steuerleitung (für Steuersignal)
135: Gleichspannungsquelle
136: Negativer Pol von 135
137: Erste Hochspannungsleitung
138: Hochspannungsanschluss von 101
139: Positiver Pol von 135
140: Massepotential
141: Zweite Hochspannungsleitung
142: Zweite Steuerleitung (für zweites Steuersignal)
143: Drehzahl-Überwachungseinrichtung
144: Zweite Messleitung (für Drehzahlmesssignal)
145: Drehzahlsensor (bevorzugt: Hallelement)
146: Rotationssymmetrisches Element mit entlang seines Umfangs variierenden magnetischen Eigenschaften
147: Rotor des Antriebsmotors von 107
148: Rotorkörper
149: Eisenbeschichtung
150: Dritte Steuerleitung (für drittes Steuersignal)
151: Vierte Steuerleitung (für viertes Steuersignal)
152: Stator des Antriebsmotors von 107
153: Steuereinrichtung
154: Erste Verbindungsleitung (für Strommesssignal bzw. für Kathodenstromsteuersignal)
155: Zweite Verbindungsleitung (für Temperaturmesssignal)
156: Dritte Verbindungsleitung (für Drehzahlmesssignal)
157: Fünfte Steuerleitung
158: Sechste Steuerleitung
159: Regelungseinrichtung für Kathodenstrom
160: Strom-Sollwertanschluss von 159 (für Strom-Sollwert)
161: Strom-Stellsignalleitung
162: Drehzahl-Sollwertanschluss (für Drehzahl-Sollwert)
163: Drehzahl-Regelungseinrichtung
164: Röntgenstrahlungsbündel
165: Blendenanordnung
166: Erste Lochblende von 165
167: Zweite Lochblende von 165
168: Länge von 116 quer zur Bewegungsrichtung von 106 bzw. 109
169: Breite von 116 und 164 in Bewegungsrichtung von 106 bzw. 109
170: Bewegungsrichtung von 106 bzw. 109
171: Abstrahlungswinkel von 164 zur Oberfläche von 106
172: Höhe von 164
173: Durchlass für 164 in 129
174: Fokussierungseinrichtung
175: Brennpunkt
176: Erstes Spiegelpaar
177: Zweites Spiegelpaar
178: Erster Spiegel von 176
179: Zweiter Spiegel von 176
180: Erster Spiegel von 177
181: Zweiter Spiegel von 177
182: Erste Bündelungsrichtung
183: Zweite Bündelungsrichtung
184: Strahlengang von 164 vor 176
185: Strahlengang von 164 zwischen 176 und 177

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3644719 C1 [0002, 0003]
WO 2007020097 A1 [0005, 0006, 0007]
DE 69113382 T2 [0008]
DE 102005060234 A1 [0010]
DE 19832032 C1 [0011]
EP 0378273 A2 [0013]
DE 102008062671 B4 [0015]

Claims

Röntgengenerator (100), enthaltend eine hochemittierende thermische Niedrigtemperatur-Kathode (101) zum Abgeben eines Elektronenstrahls (102), eine einen Anodenteller (106) umfassende Drehanode (107), die in einer Lagereinrichtung (114), die zwischen einem mit der Drehanode (107) verbundenen Lagerteil (120) und einer Lagerachse (122) ein Flüssigmetall-Gleitlager (123) aufweist, um eine Rotationsachse (115) drehbar geführt ist, eine Elektronen-Fokussiereinrichtung (108) zum Fokussieren des Elektronenstrahls (102) auf eine Brennbahn (109) entlang einer Oberfläche des Anodentellers (106) und eine Kondensationskühlanordnung, die mit einem zwischen der Brennbahn (109) und dem Lagerteil (120) der Drehanode (107) vorliegenden ersten Kühlmittel und einer Ausgestaltung der Lagerachse (122) für ein Durchströmen durch ein zweites Kühlmittel ausgebildet ist, wobei das erste Kühlmittel von einer konstruktiven Verbindung, die zwischen der Brennbahn (109) und dem Lagerteil (120) wenigstens vom Anodenteller (106) gebildet ist, gasdicht umschlossen ist und das Flüssigmetall-Gleitlager (123) ein Wärmeleitelement zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem ersten Kühlmittel und dem zweiten Kühlmittel bildet.
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochemittierende thermische Niedrigtemperatur-Kathode (101) als großflächige Kathode ausgebildet ist.
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hochemittierende thermische Niedrigtemperatur-Kathode (101) als beschichtete sogenannte Dispenser-Kathode ausgebildet ist.
Röntgengenerator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmetall-Gleitlager (123) mit einer Legierung aus Gallium, Indium und Zinn ausgebildet ist.
Röntgengenerator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenteller (106) mit Wandbereichen (117, 118, 119) ausgestaltet ist, auf denen die Brennbahn (109) verläuft, die die Verbindung zwischen der Brennbahn (109) und dem Lagerteil (120) bilden und durch die ein gasdicht umschlossener Hohlraum (121) zum Aufnehmen des ersten Kühlmittels gebildet ist, der einerseits an die Brennbahn (109) und andererseits an das Lagerteil (120) grenzt.
Röntgengenerator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenteller (106) zumindest in den Wandbereichen (117), auf denen die Brennbahn (109) verläuft, wenigstens an seiner vom Elektronenstrahl (102) zu treffenden Oberfläche mit Kupfer ausgebildet ist.
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (121) eingerichtet ist zum Sieden des ersten Kühlmittels im Bereich der Brennbahn (109) und zum Kondensieren des ersten Kühlmittels im Bereich des Lagerteils (120).
Röntgengenerator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerteil (120) mit Rippen (125) ausgebildet ist.
Röntgengenerator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerachse (122) hohlwellenartig ausgestaltet ist.
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerachse (122) im Inneren mit Rippen (128) ausgebildet ist.
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerachse (122) im Inneren mit Turbulenzen im Strom eines zweiten Kühlmittels erzeugenden Einrichtungen ausgebildet ist.
Röntgengenerator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein hermetisch verschlossenes, vakuumdichtes Gehäuse (129) zum Umschließen wenigstens der hochemittierenden thermischen Niedrigtemperatur-Kathode (101), der Drehanode (107) mit dem Anodenteller (106) und dem Lagerteil (120) sowie der Elektronen-Fokussiereinrichtung (108).
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerachse (122) ein Element des hermetisch verschlossenen, vakuumdichten Gehäuses (129) bildet.
Röntgengenerator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Temperatur-Überwachungseinrichtung (130) zum Messen und/oder Überwachen der Temperatur des Anodentellers (106) im Bereich der Brennbahn (109).
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Überwachungseinrichtung (130) mit einem Infrarotsensor (131) zum Messen der Temperatur des Anodentellers (106) im Bereich der Brennbahn (109) ausgebildet ist.
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Überwachungseinrichtung (130) zum Herunterregeln und/oder Unterbrechen des Elektronenstrahls (102), sobald die Temperatur der Brennbahn (109) einen Temperatur-Grenzwert überschreitet, ausgebildet ist.
Röntgengenerator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Drehzahl-Überwachungseinrichtung (143) zum Messen und/oder Überwachen der Drehzahl der Drehanode (107).
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehanode (107) ein bezüglich der Rotationsachse (115) wenigstens weitgehend rotationssymmetrisches Element mit entlang seines Umfangs variierenden magnetischen Eigenschaften (146) aufweist und die Drehzahl-Überwachungseinrichtung (143) mit einem Hallsensor (145) zum Detektieren der variierenden magnetischen Eigenschaften und zum dadurch Messen der Drehzahl der Drehanode (107) ausgebildet ist.
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das bezüglich der Rotationsachse (115) wenigstens weitgehend rotationssymmetrische Element mit entlang seines Umfangs variierenden magnetischen Eigenschaften Teil eines Rotors (147) eines Antriebsmotors der Drehanode (107) ist.
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (147) des Antriebsmotors der Drehanode (107) mit einem auf der Lagerachse (122) drehbar angeordneten, eisenbeschichteten (149), rohrförmigen Rotorkörper (148) aus Kupfer ausgebildet ist, in dem entlang seines Umfangs Bereiche variierender magnetischer Eigenschaften durch Ausnehmungen wenigstens in der Eisenbeschichtung (149) gebildet sind.
Röntgengenerator (100) nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl-Überwachungseinrichtung (143) zum Herunterregeln und/oder Unterbrechen des Elektronenstrahls (102), sobald die Drehzahl der Drehanode (107) einen Drehzahl-Grenzwert unterschreitet, ausgebildet ist.
Röntgengenerator (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16 in Verbindung mit einem der Ansprüche 17 bis 21, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (153) zum Steuern der Drehzahl der Drehanode (107) in Abhängigkeit vom Strom des Elektronenstrahls (102) und der Temperatur der Brennbahn (109) und/oder zum Steuern des Stromes des Elektronenstrahls (102) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Drehanode (107) und der Temperatur der Brennbahn (109).
Röntgengenerator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen-Fokussiereinrichtung (108) eingerichtet ist zum Fokussieren des Elektronenstrahls (102) auf einen zumindest im wesentlichen rechteckigen Brennfleck (116) auf der Brennbahn (109).
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass vom zumindest im wesentlichen rechteckigen Brennfleck (116) ein wenigstens nahezu paralleles Röntgenstrahlungsbündel (164) unter einem vorgegebenen Abstrahlungswinkel zur Oberfläche des Anodentellers (106) am Brennfleck (116) abgebbar ist, wobei der Abstrahlungswinkel zum Verhältnis von Länge zu Breite des Brennflecks (116) derart bemessen ist, dass das wenigstens nahezu parallele Röntgenstrahlungsbündel (164) einen wenigstens nahezu quadratischen Querschnitt aufweist.
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge zu Breite des Brennflecks (116) wenigstens nahezu auf den Wert 10 und der Abstrahlungswinkel auf wenigstens nahezu 6° festgelegt ist.
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 24 oder 25, gekennzeichnet durch wenigstens eine Blendenanordnung (165) zum Formen des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels (164).
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 24, 25 oder 26, gekennzeichnet durch wenigstens eine Fokussierungseinrichtung (174) zum Fokussieren des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels (164) auf einen Brennpunkt (175).
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass jede der wenigstens einen Fokussierungseinrichtung (174) wenigstens ein Spiegelpaar (176, 177) aus zwei Spiegeln (178, 179; 180, 181) für jede quer zum Strahlengang (184, 185) ausgerichtete Bündelungsrichtung (182, 183) umfasst, wobei die Spiegel (178, 179; 180, 181) eine in je einer Richtung gekrümmte Kontur aufweisen und diese Kontur durch eine logarithmische Spirale gebildet ist, und wobei die Pole der logarithmischen Spiralen der beiden Spiegel (178, 179; 180, 181) jedes der Spiegelpaare (176, 177) zusammenfallen.
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Spiegelpaare (176, 177) für zwei wenigstens weitgehend rechtwinklig zueinander ausgerichtete Bündelungsrichtungen (182, 183) hintereinander in den Strahlengang (184, 185) des wenigstens nahezu parallelen Röntgenstrahlungsbündels (164) gestellt sind und die Krümmungen der Konturen der Spiegel (178, 179; 180, 181) der verschiedenen Spiegelpaare (176, 177) derart unterschiedlich gewählt sind, dass eine Fokussierung des Röntgenstrahlungsbündels (164) in den unterschiedlichen Bündelungsrichtungen (182, 183) auf denselben Brennpunkt (175) erfolgt.
Röntgengenerator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Drehanode (107) und der hochemittierenden thermischen Niedrigtemperatur-Kathode (101) eine auf einen konstanten Spannungswert einstellbare Gleichspannungsquelle (135) angeschlossen ist.
Röntgengenerator (100) nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (135) mit einer Stromregelstufe ausgebildet ist zum Regeln des Stromes des Elektronenstrahls (102) über eine Regelung eines der Kathode (101) zufließenden Stromes auf einen konstant vorgebbaren Wert.