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Die Erfindung betrifft eine Röntgenquellenvorrichtung umfassend eine Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlen.
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Derartige Vorrichtungen werden für medizinische und nichtmedizinische Einsatzzwecke verwendet und dienen als Quelle für Röntgenstrahlen zur Durchleuchtung oder Streuung an zu untersuchenden Objekten.
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Beim Betrieb einer Röntgenquellenvorrichtung wird mittels einer Kathode ein Elektronenstrahl erzeugt, der auf eine Anode gelenkt wird. Der Punkt, auf den der Elektronenstrahl auftrifft, wird als Brennfleck oder Brennpunkt bezeichnet. Im Brennpunkt wird die Röntgenstrahlung erzeugt.
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Der Elektronenstrahl erhitzt den Brennpunkt. Um eine Überhitzung des Brennpunkts zu vermeiden, ist die Anode oftmals als Drehanode ausgebildet, die im Betrieb um eine Rotationsachse bzw. Drehachse rotiert wird. Die Rotation wird mittels einer elektrischen Maschine bzw. eines Elektromotors bewirkt, deren Rotor zusammen mit der Drehanode innerhalb eines Vakuumbehälters angeordnet und drehfest verbunden ist und deren Stator außerhalb des Vakuumbehälters angeordnet ist.
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Zur optimalen Bildgebung ist es erforderlich, dass der Brennpunkt, bezogen auf die als Ganzes nicht um die Drehachse rotierende Röntgenquellenvorrichtung, möglichst statisch, d.h. ortsfest, ist, also während des Betriebs der Röntgenquellenvorrichtung nicht oder zumindest nur geringfügig wandert.
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Da der die Röntgenstrahlung generierende Elektronenstrahl durch elektromagnetische Felder beeinflusst werden kann, ist es daher erforderlich, den Einfluss elektromagnetischer Felder, wie sie etwa bei Elektromotoren bzw. elektrischen Maschinen auftreten, so konstant wie möglich zu halten.
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Ein wichtiger Einflussfaktor sind die beim Antreiben des Rotors vom Stator ausgehenden Streufelder. Diese Streufelder können Bewegungen des Brennpunkts hervorrufen, die sowohl in Richtung um die Rotationsachse herum gesehen als auch orthogonal hierzu, d.h. in radialer Richtung zur Drehachse, im Bereich von mehreren 100 µm liegen können. Die hierdurch hervorgerufenen Störungen und Fehler bei der Bildgebung sind oftmals nicht vernachlässigbar, zumindest aber nachteilig und beschränken das Auflösungsvermögen des Röntgensystems.
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Aus der
DE 10 2011 081 280 A1 ist bekannt, das Wicklungssystem des Stators als Jochwicklung auszubilden. Mit einem derartigen Wicklungssystem kann erreicht werden, dass der Brennpunkt sich sowohl in Richtung um die Rotationsachse herum gesehen als auch orthogonal hierzu um weniger als ca. 50 µm bewegt. Eine Jochwicklung ist jedoch in der Fertigung umständlich und daher kostenintensiv.
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Es wurde auch vorgeschlagen, die Beaufschlagung des Wicklungssystems des Stators mit Strom während des aktiven Betriebs der Röntgenquellenvorrichtung, während also die Röntgenstrahlung emittiert wird, zu reduzieren oder sogar ganz zu unterbrechen. Diese Vorgehensweise führt zwar zu einer deutlich reduzierten Bewegung des Brennpunkts, erweist sich jedoch nicht immer als praktikabel.
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Insbesondere bei einer Ausbildung der Lager der Drehanode als Gleitlager sind die Reibungskräfte innerhalb des Lagers zu hoch, so dass bei einem vollständigen Unterbrechen der Stromversorgung die Drehbewegung der Drehanode zu schnell nachlassen würde.
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Aus der Patentschrift
DE 10 2018 201 394 B3 ist zudem bekannt, dass das Wicklungssystem Wicklungen aufweist, deren einzelne Windungen jeweils mehrere Statorzähne übergreifen, und dass der Stator derart ausgebildet ist, dass bei Beaufschlagung der einzelnen Phasen mit gleichen Phasenspannungen die Phasen jeweils gleich große magnetische Streufelder hervorrufen. Dies ist eine vorteilhafte Möglichkeit den Brennpunkt möglichst ortsfest zu halten. Allerdings kann auch mit diesem Vorgehen der Brennpunkt noch nicht derart örtlich konstant gehalten werden, dass dies für besonders hochauflösende Röntgenbildgebung ausreichend ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Röntgenquellenvorrichtung anzugeben, welche das Auflösungsvermögen für die Röntgenbildgebung weiter verbessert.
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Die Aufgabe wird gelöst mittels einer Röntgenquellenvorrichtung gemäß Anspruch 1. Die Röntgenquellenvorrichtung weist eine Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlen mittels eines auf einen Brennpunkt der Anode auftreffenden Elektronenstrahl auf. Die Anode ist mittels eines Elektromotors, der einen Stator und einen Rotor umfasst, um eine Drehachse drehbar. Der Rotor ist vorzugsweise drehfest mit der Anode verbunden. Der Stator weist einen in Richtung der Drehachse anodennahen Wickelkopf und einen in Richtung der Drehachse anodenfernen Wickelkopf auf. Zwischen dem anodennahen und dem anodenfernen Wickelkopf ist ein vom Stator umfasstes Blechpaket angeordnet. Eine Brennebene umfasst den Brennpunkt und die Drehachse. In der Brennebene, insbesondere auf dem anodennahen Wickelkopf zugewandten Seite, hat das Blechpaket einen maximalen Außenradius. Der anodennahe Wickelkopf weist einen brennpunktfernen Schnittbereich und einen brennpunktnahen Schnittbereich mit der Brennebene auf und ein maximaler Außenradius des brennpunktnahen Schnittbereichs des anodennahen Wickelkopfs ist kleiner dem maximalen Außenradius des Blechpakets in der Brennebene.
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Mittels einer derart ausgestalteten Röntgenquellenvorrichtung wird erreicht, insbesondere mittels der geometrischen Ausgestaltung des anodennahen Wickelkopfs, dass in der Nähe des Brennpunkts bzw. am Brennpunkt selbst die elektromagnetischen Streufelder verringert sind. Dies führt zu einer überraschend starken Verringerung der Brennpunktwanderung sowohl in Umfangsrichtung um die Drehachse als auch radial zur Drehachse.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Streufelder mittels der geometrischen Ausgestaltung des anodennahen Wickelkopfs im Wesentlichen auf Null reduziert, so dass es durch diese nicht nur zu einer konstanten, sondern zu keiner Störung des Elektronenstrahls am Brennpunkt bzw. in der Nähe des Brennpunkts mehr kommt.
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Durch die erhöhte örtliche Konstanz des Brennpunkts sind die geometrischen Abbildungsverhältnisse für den Brennpunkt und die Abbildungsgeometrie konstanter als im Stand der Technik und die Bildqualität der gesamten Röntgenvorrichtung kann mittels einer derartigen Röntgenquellenvorrichtung verbessert werden.
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Wird diese Lehre mit der bekannten Lehre
DE 10 2018 201 394 B3 kombiniert, kann die Brennpunktwanderung in radialer und Umfangsrichtung - ausgehend von den erreichbaren Ergebnissen mit der Lehre
DE 10 2018 201 394 B3 - um den Faktor 2 verringert werden.
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Der Wickelkopf wird gebildet aus den vom Stator umfassten Wicklungen. In der Regel umfasst ein Stator zwei Wickelköpfe, einen ersten Wickelkopf, der anodenseitig und damit anodennah angeordnet ist. Der zweite Wickelkopf ist auf der von der Anode abgewandten Seite des Stators angeordnet und damit anodenfern. Zwischen dem anodennahen und dem anodenfernen Wickelkopf ist ein Blechpaket angeordnet. In der Regel sind anodennaher, anodenferner Wickelkopf und Blechpaket relativ zueinander fixiert, bspw. durch Verpressen.
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In der Regel ist der Außenradius des Blechpakets in der Brennebene im Wesentlichen konstant. Ist dieser nicht konstant, ist für die vorliegende technische Lehre der Außenradius des dem anodennahen Wickelkopf nächstens benachbarten Blechs des Blechpakets in der Brennebene oder mehrerer benachbarter Bleche, z.B. der nächsten drei oder fünf benachbarten Bleche in Form eines Außenradius-Mittelwerts, heranzuziehen.
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Der Rotor kann mittels des Stromflusses durch die Wicklungen des Stators in eine Drehbewegung um die Drehachse versetzt werden. Da die Anode drehfest mit dem Rotor verbunden ist, führt die Rotorbewegung zu einer Anodendrehbewegung.
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Die Brennebene wird gebildet aus dem Brennpunkt und der Drehachse. Die damit aufgespannte Brennebene steht in der Regel senkrecht zu einer Ebene normal zur Drehachse. Die Brennebene schneidet daher den Stator.
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Da der Brennpunkt in der Regel von der Drehachse der Anode beabstandet ist, insbesondere nicht im Schnittpunkt von Drehachse und Anode liegt, sondern auf der Anode abseits der Drehachse, gibt es einen brennpunktnahen Schnittbereich des anodennahen Wickelkopfs und einen brennpunktfernen Schnittbereit des anodennahen Wickelkopfes mit der Brennebene. Von Interesse für die Erfindung ist der brennpunktnahe Schnittbereich des anodennahen Wickelkopfs, da dessen Streufelder einen einfallenden Elektronenstrahl am meisten beeinflussen.
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Der Schnittbereich des anodennahen Wickelkopfs mit der Brennebene kann als Schnittfläche durch den Wickelkopf längs der Brennebene betrachtet werden. In der Regel bildet der brennpunktnahe Schnittbereich des anodennahen Wickelkopfs somit den Querschnitt des Wickelkopfs an dem Teil des anodennahen Wickelkopfs, der dem Brennpunkt am nächsten ist.
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Der brennpunktnahe Bereich des anodennahen Wickelkopfs, der insbesondere mindestens +/-20°in Umfangsrichtung um die Drehachse relativ zur Brennebene ist, ist vorzugsweise derart geometrisch dimensioniert, dass das magnetische Streufeld am Ort des Brennpunkts kleiner ist als das von einem anodenfernen Bereich des anodennahen Wickelkopfs ausgehenden Streufeld für den an der Drehachse gespiegelten Brennpunkt.
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In einer Variante der Erfindung ist das Verhältnis aus der Differenz des maximalen Außenradius des brennpunktnahen Schnittbereichs und des maximalen Innenradius des Blechpakets und der Differenz des Außenradius des Blechpakets und des maximalen Innenradius des Blechpakets kleiner oder gleich 0,9, insbesondere kleiner oder gleich 0,75, bevorzugt kleiner oder gleich 0,5. Dies sind vorteilhafte Verhältnisse, die je geringer das Verhältnis, ein geringeres Streufeld im Bereich des Brennpunkts bereitstellen. Grundsätzlich gilt, dass je weiter der Außenradius des Blechpakets den Außenradius des anodennahen Wickelkopfs im brennpunktnahen Schnittbereich überragt, desto vorteilhafter ist das Streufeld hinsichtlich der Beeinflussung des Elektronstrahls bzw. der Brennpunktwandereigenschaften ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Stator Wicklungen aus mehreren, insbesondere drei, Phasen auf, wobei eine der gewickelten Phasen im Bereich des brennpunktnahen Schnittbereichs, von radial außen betrachtet, wenigstens zwei Windungen aufweist, die in Richtung des Blechpakets zwei aufeinander zulaufende Schenkel ausbilden. Vorzugsweise sind die Schenkel jeweils aus mehreren Windungen gebildet. Die mittels der Schenkel ausgebildete Struktur des anodennahen Wickelkopfs kann auch als V-artig bezeichnet werden, wobei nicht zwingend ein Berührpunkt der Schenkel der „V“-artigen Struktur vorhanden sein muss. Mittels der Öffnung der Schenkel in Richtung der Anode werden die stromführenden Windungen vom Brennpunkt entfernt, so dass die Streufelder verringert werden, insbesondere sich die von den auseinanderlaufenden Windungen hervorgerufenen Streufelder zwischen den Windungen gegenseitig aufheben.
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Insbesondere können der erste und der zweite Schenkel einen Öffnungswinkel von 165° bis 60 ausbilden, in einer bevorzugten Variante beträgt der Öffnungswinkel 140° bis 90°, insbesondere 120° bis 90°. Es handelt sich hierbei um eine einfache und wirksame Wickelweise, um den Effekt des Streufelds des anodennahen Wickelkopfs auf einen einfallenden Elektronenstrahl zu verringern und damit den Brennpunkt örtlich zu stabilisieren.
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In einer weiteren Variante der Erfindung ist ein Schnittpunkt der Schenkel im Bereich des brennpunktnahen Schnittbereichs des angeordnet. Der Schnittpunkt kann virtuell sein, d.h. durch eine gedachte Verlängerung der beiden Schenkel in Längserstreckungsrichtung entstehen. Der Schnittpunkt kann auch als Berührpunkt oder Kreuzungspunkt der zwei am nähesten zueinander gegenüberliegenden, aufeinander zulaufenden Windungen der zwei Schenkel vorliegen. Als Kreuzungspunkt wäre ein Punkt zu verstehen, an dem sich die zwei am nähesten zueinander gegenüberliegenden, aufeinander zulaufenden Windungen der zwei Schenkel kreuzen, also eine erste der zwei Windungen die andere Windung überläuft.
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Der Bereich des brennpunktnahen Schnittbereichs erstreckt sich in Umfangsrichtung des Wickelkopfs um die Drehachse. Ein Bereich des brennpunktnahen Schnittbereichs liegt im Sinne der technischen Lehre dann noch vor, wenn die Lage des Schnittpunkts noch zu einer Verringerung des Streufelds führt. Der Bereich erstreckt sich vorzugsweise um +/-5 Grad in Umfangsrichtung des anodennahen Wickelkopfs um die Drehachse relativ zur Brennebene, ggf. auch mehr. In einer besonderen Variante liegt der Schnittpunkt in der Brennebene.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bildet die die wenigstens zwei Windungen umfassende Wicklung im Bereich des brennpunktnahen Schnittbereichs eine radial außenliegende Wickelung des Wickelkopf, insbesondere die radial außenliegende Wickelung des Wickelkopfs. Indem diese Wicklung die radial außen liegende Wicklung bildet, d.h. die Windungen dieser Wicklungen weisen im Bereich des brennpunktnahen Schnittbereichs einen größeren radialen Abstand von der Drehachse auf verglichen mit den Windungen der Wicklung der anderen Phasen, kann effektiv eine v-artige Schenkelstruktur realisiert werden. Diese Veränderung der radialen geometrischen Abmaße des anodennahen Wickelkopfs ermöglicht eine entsprechende Streufeldreduktion. Radial außen kann in diesem Sinne auch als radial äußerste Windung verstanden werden.
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In einer weiteren Variante der Erfindung ist die die wenigstens zwei Windungen umfassende Wicklung im Bereich des brennpunktnahen Schnittbereichs auf der dem Blechpaket zugewandten Seite des Wickelkopfs radial nach innen geführt. Es wird also der Teil der Wicklung, welche dem Schnittpunkt bzw. dem Blechpaket näher liegt, auf der dem Blechpaket zugewandten Seite des anodennahen Wickelkopfs zu Zähnen und Nuten des Blechpakets geführt, auf welcher die Wicklung gewickelt ist. Dies ist ebenfalls eine praktisch einfache Möglichkeit eine v-artige Form der radial äußeren Wicklung zur realisieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bildet der Außenradius des brennpunktnahen Schnittbereichs in einer Normalenebene senkrecht zur Drehachse einen minimalen Außenradius und der Außenradius des anodennahen Wickelkopfs vergrößert sich in Umfangsrichtung um die Drehachse auf einen maximalen Außenradius. Die Normalenebene kann auch als Stirnfläche des Stators betrachtet werden, wobei diese den Stator auf Höhe des anodennahen Wickelkopfes schneidet. Man erhält somit einen anodennahen Wickelkopf mit „Delle“ in dem Winkelbereich des anodennahen Wickelkopfs, der den geringsten Abstand zum Brennpunkt aufweist. Vorzugsweise ist der Winkelbereich, über den sich der maximal Außenradius in der Brennebene auf einen maximalen Außenradius außerhalb der Brennebene in Umfangsrichtung vergrößert, symmetrisch zur Brennebene ausgebildet.
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In Umfangsrichtung um die Drehachse nimmt der Außenradius des anodennahe Wickelkopfs außerhalb, aber benachbart zur Brennebene, somit zu, insbesondere bis auf einen Maximalwert, der dann in Umfangsrichtung im Wesentlichen konstant ist. Die Streufelder sind somit in dem relevanten Bereich, welcher den geringsten Abstand vom Brennpunkt hat, verringert, gleichzeitig können die Wicklungen aller Phasen im anodennahen Wickelkopf untergebracht werden.
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Vorteilhaft vergrößert sich der Außenradius des brennpunktnahen Schnittbereichs in einem Winkelbereich in Umfangsrichtung von kleiner +/-45°, insbesondere kleiner +/-30°, insbesondere kleiner +/-20°, insbesondere kleiner +/- 10°, ausgehend vom brennpunktnahen Schnittbereich.
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In einer anderen beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Blechpaket auf einer der Drehachse zugewandten inneren Oberfläche Nuten und Zähne in Umfangsrichtung zur Aufnahme von Wicklungen auf, wobei wenigstens eine zum brennpunktnahen Schnittbereich benachbarte Nut frei von einer Wicklung ist. Es können vorteilhafterweise auch mehrere zum brennpunktnahen Schnittbereich benachbarte Nuten wicklungsfrei sein, insbesondere kann die Mehrzahl an wicklungsfreien Nuten symmetrisch zum brennpunktnahen Schnittbereich angeordnet sein, so dass gleich viele Nuten in Umfangsrichtung in positiver und negativer Drehrichtung längs des Umfangs frei bleiben.
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Insbesondere können die Nuten einen maximalen Innenradius des Stators bilden und die Zähne einen minimalen Innenradius des Stators bilden.
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Auf die Nuten und Zähne werden die Phasen gewickelt. Indem wenigstens eine zum brennpunktnahen Schnittbereich benachbarte Nut, vorzugsweise zwei oder mehr zum brennpunktnahen Schnittbereich benachbarte Nuten, unbewickelt sind, erfolgt eine Verlagerung von Windungen weg vom brennpunktnahen Schnittbereich. Dadurch wird der Einfluss des Streufelds auf einen einfallenden Elektronenstrahl weiter verringert.
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In einer anderen beispielhaften Variante weist das Blechpaket auf einer der Drehachse zugewandten inneren Oberfläche Nuten und Zähne in Umfangsrichtung zur Aufnahme von Wicklungen auf, wobei die Brennebene einen brennpunktnahen Zahn schneidet, wobei der Zahn in Umfangsrichtung um die Drehachse eine Ausdehnung von wenigstens +/- 5° zur Brennebene aufweist. Es wird somit der Zahn des Stators mit dem geringsten Abstand zum Brennpunkt derart dimensioniert, dass die Wicklungen bzw. die Windungen vergleichsweise weit entfernt vom Brennpunkt angeordnet sind. Auch hierdurch wird der Einfluss des Streufelds auf einen eintreffenden Elektronenstrahl verringert.
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Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung genauer schematisch erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Röntgenquellenanordnung mit Elektromotor zum Betrieb einer Drehanode,
- 2 eine schematische räumliche Ansicht eines beispielhaften Stators,
- 3 eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Stators in der Brennebene,
- 4 eine schematische Ansicht senkrecht zur Drehachse auf einen beispielhaften anodennahen Wickelkopf eines Stators,
- 5 eine Ansicht von radial außen auf einen beispielhaften v-artigen Wickelbereich eines anodennahen Wickelkopfs.
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Soweit gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen 1 bis 5 verwendet werden, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Röntgenquellenvorrichtung 1, bspw. zum Einsatz für die medizinische Bildgebung oder im industriellen Umfeld.
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Die Röntgenquellenvorrichtung 1 umfasst einen Vakuumbehälter 2, welcher zumindest im Betrieb der Röntgenquellenvorrichtung evakuiert ist.
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Innerhalb des Vakuumbehälters 2 ist eine Anode 3 und eine Kathode 11 angeordnet. Mit Hilfe der Kathode 11 wird im Betrieb der Röntgenquellenvorrichtung 1 ein Elektronenstrahl erzeugt, der auf die Anode 3 trifft. Der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls wird als Brennpunkt P bezeichnet. Der Brennpunkt P ist vorhanden, unabhängig davon, ob die Röntgenquellenvorrichtung 1 in Betrieb ist oder nicht.
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Trifft am Brennpunkt P ein Elektronenstrahl E auf, so emittiert die Anode 3 Röntgenstrahlen X.
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Vorliegend ist die Anode 3 als Drehanode ausgestaltet, um die thermische Belastung der Anode 3 zu verringern. Die Anode 3 ist mittels einer Welle 4 mit einem Rotor 5 verbunden, welcher mittels eines außerhalb des Vakuumbehälters 2 angeordneten Stators 7 derart in Wechselwirkung tritt, dass im Betrieb der Rotor 5 um eine Drehachse 6 dreht.
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Im Betrieb, also bei rotierender Anode 3, bildet sich ein Brenn-„Ring“ auf der sich drehenden Anode 3 aus, wohingegen der Brennpunkt P aus Sicht eines ortsfesten Außenbezugssystems im Wesentlichen ortsfest ist, jedoch dem Einfluss etwaiger magnetischer Streufelder ausgesetzt ist.
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Der Brennpunkt P und die Drehachse 6 definieren zusammen die Brennebene B. Die Darstellung in 1 zeigt einen schematischen Schnitt der Röntgenquellenvorrichtung 1 in der Brennebene B.
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Der Stator 7 weist vorliegend einen Wickelkopf 8 und einen Wickelkopf 9 auf. Der Wickelkopf 8 ist in Richtung der Drehachse 6 näher an der Anode 3 angeordnet als der Wickelkopf 9, daher wird der Wickelkopf 8 als anodennaher Wickelkopf 8 bezeichnet und der Wickelkopf 9 als anodenferner Wickelkopf 9.
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Ferner umfasst der Stator 7 ein Blechpaket 10, welches einzelne in Richtung der Drehachse 6 hintereinander angeordnete Bleche umfasst. Die einzelnen Bleche sind ringartig ausgestaltet und bilden somit zusammen ein hohlzylinderartiges Blechpaket 10 aus.
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Das Blechpaket 10 weist auf seiner radial innenliegenden Oberfläche Zähne und Nuten auf, welche in 1 nicht dargestellt sind. Mittels dieser Zähne und Nuten werden die Wicklungen 14 geführt.
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Mittels der Wickelköpfe 8 bzw. 9 werden die von der radial innenliegenden Oberfläche geführten und an den in Richtung der Drehachse ersten und letzten Blech austretenden Wicklungen 14 zusammengefasst.
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Im Hinblick auf die Anode 3 weist der anodennahe Wickelkopf 8 in der Brennebene B zwei Schnittbereiche 12 und 13 auf. In 1 ist der Schnittbereich 12 näher am Brennpunkt P als der Schnittbereich 13, d.h. weist einen geringeren Abstand zu diesem auf. Daher wird der Schnittbereich 12 als brennpunktnaher Schnittbereich 12 und der Schnittbereich 13 als brennpunktferner Schnittbereich 13 bezeichnet.
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Im Stand der Technik fassen die Wickelköpfe die Wicklungen mehr oder weniger unregelmäßig zusammen. Letztendlich stehen die räumliche Kompaktheit des Stators und Lage des elektrischen Anschlusses der Wicklungen an die Stromversorgung im Hinblick auf die Arretierungsposition des Stators im Vordergrund. Dies führt jedoch zu nachteiligen geometrischen Formen, insbesondere des Wickelkopfs, im Hinblick auf die von diesem erzeugten Streufelder, welche auf den Brennpunkt wirken.
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2 zeigt eine schematische räumliche Ansicht auf einen beispielhafter Stator 7, wie er in 1 zum Einsatz kommen kann. Dieser umfasst den anodenfernen Wickelkopf 9, den anodennahen Wickelkopf 8 und das zwischen den Wickelköpfen 8 und 9 angeordnete Blechpaket 10, der verbesserte Streufeldeigenschaften aufweist.
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Der Stator 7 weist mehrere Befestigungseinrichtungen 18 auf, z.B. in Form von äquidistant auf dem Umfang in Umfangsrichtung verteilten Befestigungslaschen. Mit diesen wird der Stator 7 relativ zur Drehachse 5 fixiert.
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Ferner weist der Stator 7 drei separate Wicklungen auf, die jeweils einer von drei Phasen zugeordnet sind. Die Wicklungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 2 jedoch nicht dargestellt. Die Wicklungen der drei Phasen werden im Betrieb über den jeweiligen Phasenanschluss 19 mit Strom versorgt. Es könne auch mehr oder weniger als drei separate Wicklungen vorgesehen werden.
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Darüber hinaus ist in 2 die innere radiale Oberfläche des Blechpakets 10 erkennbar. Das Blechpaket 10 weist in Umfangsrichtung um die Drehachse sich parallel zur Drehachse erstreckende Zähne 17, in Form von Stegen, auf. Dazwischen sind Nuten angeordnet, welche die in 2 nicht dargestellten Wicklungen bzw. Leiter der Wicklungen führen.
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Der anodennahe Wickelkopf 8 bzw. der anodenferne Wickelkopf 9 sind aus Vereinfachungsgründen als einheitlicher Block dargestellt, jedoch weisen diese in Realität eine Vielzahl von Leitern und kein blockhaftes Erscheinungsbild auf.
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2 zeigt für den dargestellten anodennahen Wickelkopf 8 eine Verringerung eines maximalen Außenradius des Wickelkopfs 8. Der Außenradius des anodennahen Wickelkopfs 8 wird bestimmt auf der Seite des Wickelkopfs 8, welche im Betrieb der Anode zugewandt ist.
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Das Minimum des maximalen Außenradius in Umfangsrichtung um die Drehachse befindet sich in einem Bereich des Wickelkopfs 8, welcher im installierten Zustand des Stators 7 brennpunktnah ist. D.h. das Minimum des maximalen Außenradius ist vorzugsweise in einem Winkelbereich von +/-5 Grad relativ zur Brennebene B angeordnet.
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Besonders vorteilhaft ist das Minimum des Außenradius des brennpunktnahen Bereichs des Wickelkopfs 8 im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Brennebene B angeordnet. Der maximale Außenradius des brennpunktnahen Schnittbereich 12 des anodennahen Wickelkopfs 8 kleiner als der maximale Außenradius des an den anodennahen Wickelkopfs 8 angrenzenden Blechpakets 10 in der Brennebene B.
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In 2 ist der Überstand des Blechpakets 10 über den Außenradius des anodennahen Wickelkopfs 8 an jener Stelle sichtbar, an der der Wickelkopf 8 in Umfangsrichtung eine radiale „Delle“ aufweist. Diese „Delle“ erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Drehachse über einen Winkelbereich von weniger als 60°, insbesondere ca. 45°, und somit +/-30°, insbesondere +/-22,5° relativ zur Brennebene B auf der Seite des anodennahen Wickelkopfs 8, welche im Betrieb der Anode zugewandt ist.
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Durch diese geometrische Verformung des anodennahen Wickelkopfs 8 werden die Streufelder des Stators 7 am Brennpunkt verringert, wodurch die örtliche Stabilität des Brennpunkts während des Betriebs der Röntgenquellenvorrichtung erhöht wird.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des beispielhaften Stators 7 in der Brennebene B. Hier ist der anodennahe Wickelkopf 8 an das Blechpaket 10 - bei orientierungsrichtiger Betrachtung der 3 - links angrenzend angeordnet, während der anodenferne Wickelkopf 9 rechts vom Blechpaket 10 angeordnet ist.
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Für die „verblockte“ Darstellung des Wickelkopfs 8 bzw. 9 in 3 gelten die Ausführungen gem. 2 analog. Diese dient lediglich der vereinfachten Darstellung.
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In 3 sind relevante Radien dargestellt. Insbesondere sind gezeigt der maximale Außenradius Rbamax des Blechpakets 10, der maximale Außenradius Rwamax des anodennahen Wickelkopfs 8 im brennpunktnahen Schnittbereich 12. Ferner ist gezeigt der maximale Innenradius Rbimax des Blechpaket 10, was im Wesentlichen dem radialen Abstand der der Drehachse 6 zugewandten Oberfläche einer Nut von der Drehachse 6 entspricht.
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Darüber hinaus ist der minimale Innenradius Rbimin des Blechpakets 10 gezeigt, welcher im Wesentlichen dem radialen Abstand der zur Drehachse 6 hinorientierten bzw. zugewandten Oberfläche eines Zahns und der Drehachse 6 entspricht.
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Bevorzugt sind die obigen Radien Rbamax, Rwamax, Rbimax in der Brennebene zu bestimmen. Sofern die nicht möglich ist, ist der jeweilige relevante Radius, der nicht in der Brennebene realisiert ist - hier kommt insbesondere Rbimax und Rbimin in Betracht - in unmittelbarer in der Nachbarschaft der Brennebene dort zu bestimmen, wo er am nächsten zur Brennebene auftritt.
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Auch aus 3 wird nochmals ersichtlich, dass der maximale Außenradius Rwamax des brennpunktnahen Schnittbereichs 12 des anodennahen Wickelkopfs 8 kleiner gewählt ist, als der maximale Außenradius Rbamax des Blechpakets 10.
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4 zeigt eine schematische Ansicht des Stators 7 in einer Ebene N senkrecht zur Drehachse 6. Dabei ist der anodennahe Wickelkopf 8 im Vordergrund der 4 zu sehen.
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Die in 3 eingeführten radialen Bemessungszeichen sind zu Zwecken der Klarheit in 4 nochmals wiedergegeben. Die Drehachse 6 verläuft durch den Mittelpunkt der gezeigten Ansicht des Stators 7. Der anodenferne Wickelkopf ist in 4 nicht dargestellt.
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Aus 4 ist die radial innere Oberfläche des Blechpakets 10 erkennbar. Diese weist in Umfangsrichtung um die Drehachse 6 eine Vielzahl an Zähnen 17 und Nuten 16 auf, welche die Wicklungen führen.
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In 4 ist der brennpunktnahe Bereich des anodennahen Wickelkopfs 8, insbesondere der brennpunktnahe Schnittbereich 12, - bei orientierungsrichtiger Betrachtung von 4 - im oberen Teil der 4 und der brennpunktferne Schnittbereich 13 im unteren Teil der 4 angeordnet. Ferner zeigt 4 einen Winkelbereich W in Umfangsrichtung innerhalb dessen der maximale Außenradius Rwamax des Wickelkopfs 8 kleiner ist als der maximale Außenradius Rbamax des angrenzenden Blechpakets 10.
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Insbesondere beträgt das Verhältnis von (Rwamax - Rbimax)/(Rbamax - Rbimax) weniger als 0,9, vorzugsweise weniger als 0,75 oder weniger als 0,5. In einer besonderen Ausführungsform kann das Verhältnis auch null. In dem Fall „null“ ist ein Teil oder der gesamte Winkelbereich W frei von Wicklungen 14.
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Alternativ können die Abmessungen der Zähne 17, insbesondere in Nachbarschaft zum brennpunktnahen Schnittbereich 12, derart gewählt werden, dass diese vergleichsweise groß sind. Durch geeignete Abmessungen der Zähne weisen die Wicklungen einen größeren Abstand zum brennpunktnahen Schnittbereich 12 auf, wodurch die Streufelder des Wickelkopfs 8 am Ort des Brennpunkts reduziert sind. Bspw. können die Zähne 17 einen Winkelbereich von 10° in Umfangsrichtung überstreichen, symmetrisch zur Brennebene B somit +/- 5°.
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5 zeigt eine Draufsicht auf einen anodennahen Wickelkopf 8 eines Stators 7 im Bereich des brennpunktnahen Schnittbereichs 12 von radial außen. Dabei ist der Abstand des Betrachters größer als der maximale Außenradius des Blechpakets 10.
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Der Stator 7 umfasst drei Wicklungen, die drei unterschiedlichen Phasen L1, L2 und L3 zugeordnet sind, welche um 120° versetzt auf dem Stator 7 gewickelt sind. In 5 sind die zwei Phasen L2 und L3 nicht unterscheidbar dargestellt, bilden jedoch in 5 den sichtbaren Abschnitt des Wickelkopfs 8 mit aus.
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Die Wicklungen 14 des Stators 7 erfolgen derart, dass im Bereich des brennpunktnahen Schnittbereichs 12, die Wicklung der Phase L1 die radial außen liegende Wicklung bildet. Ferner läuft die Wicklung der Phase L1 in diesem Bereich von der radialen inneren Oberfläche des Blechpakets 10, auf der dem Blechpaket 10 zugewandten Seite des Wickelkopfs 8, zur radial äußeren Lage des anodennahen Wickelkopfs 8.
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Dabei ist die Wicklung der Phase L1 so geführt, dass diese im Bereich des brennpunktnahen Schnittbereichs 12 vom Blechpaket 10 betrachtet v-artig auseinander läuft bzw. in umgekehrter Richtung betrachtet blechseitig v-artig zusammenläuft. Die Phasenwicklung L1 weist somit Windungen 15 auf, die einen ersten Schenkel S1 und einen zweiten Schenkel S2 aufweisen.
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Durch das Auseinanderführen der Leiter kommt es tendenziell zu einer Aufhebung des von den Windungen 15 erzeugten Magnetfelds zwischen den auseinanderstrebenden Schenkeln S1 bzw. S2. Damit wird während des Betriebs der Röntgenquellenvorrichtung das Streufeld im Brennpunktbereich verringert.
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In 5 ist ein Schnittpunkt SP gezeigt, an dem sich die zwei Windungen 15 berühren. Dieser ist jedoch nicht zwingend; es ist ausreichend, wenn die Schenkel S1 und S2 in Richtung des Blechpakets 10 aufeinander zulaufen, ohne sich zu berühren. In diesem Fall bilden diese einen virtuellen Schnittpunkt SP aus. Gleichermaßen können diese sich in einem Schnittpunkt SP kreuzen.
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5 zeigt ferner einen durch die Schenkel S1 und S2 gebildeten Öffnungswinkel. Dieser ist vorzugsweise kleiner als 160° und 60°, insbesondere zwischen 140° und 90° oder zwischen 120°und 90°. Der Öffnungswinkel wird vorzugsweise bestimmt durch den mittleren Verlauf der Windungen 15 der v-artigen Struktur. Dabei ist der schnittpunktnahe Bereich maßgeblicher als der schnittpunkferne Bereich.
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Der Schnittpunkt SP kann innerhalb der Brennebene B angeordnet sein; dies ist aus Symmetriegründen vorteilhaft. Es ist jedoch ausreichend, wenn der Schnittpunkt SP innerhalb eines Abstands A/2 von der Brennebene B angeordnet ist, welche noch zu einer Reduktion des Streufelds im Brennpunkt führt. Insbesondere kann A so gewählt werden, dass dies einem Winkelbereich von weniger als +/-5°, insbesondere weniger als +/-2,5°, relativ zur Brennebene B entspricht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011081280 A1 [0003, 0009]
- US 4500142 A [0003]
- DE 102018201394 B3 [0012, 0018]
