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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Röntgenröhre mit einer feststehenden
Kathode und einer in einem Vakuumgehäuse angeordneten, auf einer
gehäusefesten
Achse drehbar gelagerten Drehanode, wobei die Drehanode als Hohlkörper ausgebildet
ist, in dessen Innenraum ein achsfester Ringvorsprung eingreift.
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Röntgenstrahlung
wird herkömmlicherweise durch
Beschuss einer Anode mit einem von einer Kathode ausgehenden Elektronenstrahl
erzeugt. Die Kathode und die Anode sind hierbei in einem Vakuumgehäuse angeordnet. Üblicherweise
ist eine Röntgenröhre heutzutage
mit einer Drehanode ausgestattet, welche sich unter dem auftreffenden
Elektronenstrahl wegdreht, um einen bezüglich der Anode stationären Brennfleck
zu vermeiden. Der Brennfleck, d.h. der Punkt, an dem der Elektronenstrahl
auf der Anodenoberfläche
auftrifft, verschiebt sich aus Sicht eines mit der Drehanode rotierenden
Koordinatensystems entlang einer kreisförmigen Bahn über die Anodenoberfläche. Hierdurch
wird die beim Auftreffen des Elektronenstrahls erzeugte Verlustwärme vergleichsweise
gleichmäßig auf
die Anodenoberfläche
verteilt, wodurch einer möglichen
Materialüberhitzung
im Brennfleck entgegengewirkt ist.
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Es
sind einerseits hohe Anforderungen an die Lagerung einer solchen
Drehanode zu richten, zumal diese häufig mit hohen Umlaufgeschwindigkeiten
und Beschleunigungsraten betrieben wird und dementsprechend hohe
Querbeschleunigungen auftreten können.
Andererseits ist eine möglichst
gute Wärmeableitung
aus der Drehanode sicherzustellen, um eine Überhitzung der Röntgenröhre zu vermeiden.
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Eine
Röntgenröhre der
eingangs genannten Art ist aus der
EP 0 328 951 A1 bekannt. Bei der bekannten
Röntgenröhre ist die
Drehanode auf einer diese vollständig
durchsetzenden gehäusefesten Achse
drehbar gelagert. Die Lagerung erfolgt hierbei durch in Axialrichtung
beidseitig der Drehanode angeordnete Wälzlager. Für eine gute Wärmeabfuhr
ist die Drehanode als Hohlkörper
ausgeführt,
in deren Innenraum ein achsfester, kühlmitteldurchflossener Wärmeabsorptionskörper eingreift.
Die Drehanode und der Wärmeabsorptionskörper sind
hierbei durch einen dünnen
Spalt getrennt, über
welchen Wärme von
der Drehanode auf den Wärmeabsorptionskörper abgestrahlt
wird.
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Es
ist weiterhin, beispielsweise aus der
DE 195 23 162 A1 , bekannt,
zur Lagerung der Drehanode einer Röntgenröhre ein Flüssigmetall-Gleitlager einzusetzen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Röntgenröhre mit
einfachen Mitteln insbesondere in Hinblick auf eine gute Wärmeableitung
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist eine als Hohlkörper ausgebildete
Drehanode vorgesehen, in deren Innenraum ein achsfester Ringvorsprung
eingreift. Zwischen der dem Innenraum zugewandten Innenfläche der
Drehanode und der angrenzenden Außenfläche des Ringvorsprungs ist
hierbei ein mit Flüssigmetall
gefüllter
Spalt gebildet.
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Der
Flüssigmetallfilm
im Spalt bewirkt hierbei eine besonders gute Wärmeüberleitung von der Drehanode
auf den Ringvorsprung. Hierzu trägt
die vergleichsweise große
Fläche
der Lagerflächen
und die gute Durchmischung des Flüssigmetallfilms bei der Rotation
der Drehanode bei. Weiterhin dient der Flüssigmetallfilm im Spalt zur
einfachen und besonders wirksamen elektrischen Kontaktierung der Drehanode über die
beispielsweise auf Erdpotential gelegte Achse.
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Bevorzugt
ist der Spalt zwischen der Drehanode und dem Ringvorsprung hinsichtlich
der Spaltbreite und der Oberflächenbeschaffenheit
der den Spalt eingrenzenden Wände
derart beschaffen, dass die Drehanode und der in diese eingreifende
Ringvorsprung zusammen mit dem in dem Spalt aufgenommenen Flüssigmetall
ein hocheffektives Flüssigmetall-Gleitlager
bilden. Der Spalt ist somit als Lagerspalt ausgebildet. Aufgrund
der durch die erfindungsgemäße Anordnung
des Ringvorsprungs in der Drehanode erzielten, vergleichsweise großen aneinander
angrenzenden Lagerflächen
werden sowohl Radialkräfte
als auch Axialkräfte
in hervorragender Weise aufgenommen und eine besonders reibungsarme
Lagerung der Drehanode gewährleistet.
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In
einer bevorzugten, konstruktiv einfachen Ausführungsform weist die Drehanode
eine ringartige Form mit einem im Wesentlichen U-förmigen,
zur Achse hin geöffneten
Ringquerschnitt auf. Die Drehanode ist hierbei insbesondere vergleichsweise
dünnwandig
ausgeführt
und besitzt somit ein vergleichsweise kleines Rotationsträgheitsmoment,
das eine kurze Anlaufzeit ermöglicht.
Eine Außenkante
des etwa U-förmigen
Querschnitts ist hierbei in herkömmlicher
Weise zur Bildung einer Zielfläche
für den
Elektronenstrahl abgeschrägt.
Die Zielfläche
der Drehanode bildet somit einen sich in Axialrichtung konisch verjüngenden
Bereich aus. Die Achse durchsetzt die Drehanode bevorzugt vollständig. Dies
erlaubt eine stabile beidseitige Halterung der Achse am Vakuumgehäuse und
eine besonders gute Lagerung der Drehanode sowie eine einfache Installation
eines Kühlmittelkreislaufes
innerhalb der Achse.
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Hierzu
sind die Achse und der Ringvorsprung bevorzugt von einem Kühlmittelkanal
durchzogen, der zumindest im Bereich des Ringvorsprungs zur Sicherstellung
einer guten Wärmeableitung
zweckmäßigerweise
dicht unter der Außenfläche geführt und
vorteilhafterweise in mehrere Teilkanäle verzweigt ist. Für eine besonders
gute Wärmeabfuhr
ist der Ringvorsprung vorteilhafterweise aus einem gut wärmeleitfähigen Material
gebildet.
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Vorzugsweise
ist an der Drehanode eine metallische Hülse befestigt, die in axialer
Richtung von der Drehanode absteht und die Achse konzentrisch umgibt.
Die Hülse
dient hierbei zum einen einer verbesserten Radiallagerung der Drehanode,
indem der Spalt aus der Drehanode in den Bereich der Hülse hinein
verlängert
ist. Zum anderen wird die Hülse
bevorzugt als Rotor eines Elektromotors herangezogen, dessen Magnetspule
außerhalb
des Vakuumgehäuses
angeordnet ist. Auf diese Weise ist ein konstruktiv besonders einfacher
Drehantrieb für
die Drehanode realisiert, der insbesondere eine berührungsfreie
Kraftübertragung
durch das Vakuumgehäuse
hindurch ermöglicht.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass die Drehanode etwa mittig, d.h. insbesondere schwerpunktsnah,
gelagert ist. Hierdurch können
bei einer einfachen und kompakten Bauweise hohe Fliehkräfte aufgefangen werden,
ohne dass zusätzliche,
extern der Drehanode angeordnete Lager erforderlich wären. Es
können jedoch
optional zusätzliche
Lager, z.B. Wälzlager, vorgesehen
sein.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige
Figur in einem schematischen Schnitt eine Röntgenröhre mit einer in einem Vakuumgehäuse auf
einer gehäusefesten
Achse drehbar gelagerten Drehanode.
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Die
Röntgenröhre umfasst
eine feststehende Kathode 1 sowie eine Drehanode 2.
Die Drehanode 2 ist in einem feststehenden Vakuumgehäuse 3 angeordnet.
Die Kathode 1 ist in einem Isolatorgehäuse 4 angeordnet,
welches mittels eines Metallrings 5 vakuumdicht an das
Vakuumgehäuse 3 angeschlossen ist.
Das Vakuumgehäuse 3 ist
seinerseits in einem Schutzgehäuse 6 aufgenommen,
das mit einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit F, z.B. Isolieröl, gefüllt ist.
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Das
Vakuumgehäuse 3 ist
vollständig
durchsetzt von einer gehäusefesten
Achse 7, auf welcher die Drehanode 2 drehbar gelagert
ist. Die Achse 7 ist an beiden Enden vakuumdicht von der
Wand des Vakuumgehäuses 3 umschlossen.
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Die
Drehanode 2 ist rotationssymmetrisch bezüglich der
Achse 7 ausgebildet. Sie umfasst ein wannen- oder schalenartiges
erstes Teil, das nachfolgend als Wanne 8 bezeichnet ist.
Die Wanne 8 ist öffnungsseitig
von einem flachen, radial ausgerichteten zweiten Teil abgeschlossen,
das nachfolgend als Deckel 9 bezeichnet ist. Die Wanne 8 wiederum
umfasst einen radial ausgerichteten Boden 10, eine bezüglich der
Achse 7 konzentrische, im Wesentlichen hohlzylindrische
Seitenwand 11 sowie einen zwischen dem Boden 10 und
der Seitenwand 11 angeordneten Übergangsbereich 12,
der etwa in einem Winkel von 45° bezüglich des
Bodens 10 und der Seitenwand 11 abgeschrägt ist.
Der Übergangsbereich 12 weist
somit etwa die Form eines bezüglich
der Achse 7 koaxialen Kegelstumpfes auf, der sich zum Boden 10 hin konisch
verjüngt.
Der Übergangsbereich 12 ist
hierbei außenseitig
mit einer Schicht 13 aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung
versehen, die als Zielfläche für einen
Röntgenstrahlung
R erzeugenden Elektronenstrahl S vorgesehen ist. Beide Teile der
Drehanode 2, d.h. die Wanne 8 und der Deckel 9,
sind jeweils mit einer zentralen Bohrung 14 versehen, welche
die Achse 7 mit geringem Spiel durchsetzt. Die Wanne 8 und
der Deckel 9 sind bevorzugt durch schematisch dargestellte
Schrauben 15 miteinander verschraubt. Alternativ können die
Wanne 8 und der Deckel 9 auch verschweißt oder
verlötet
sein. Die Drehanode 2 ist somit als ringartiger Hohlkörper mit
einem etwa U-förmigen
Ringquerschnitt ausgebildet, der zur Achse 7 hin geöffnet ist.
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In
dem von der Drehanode 2 umschlossenen Innenraum 16 liegt
ein mit der Achse 7 fest verbundener, rotationssymmetrischer Ringvorsprung 17 ein, wobei
der Ringvorsprung 17 den Innenraum 16 fast vollständig ausfüllt, und
zwischen dem Ringvorsprung 17 und der Drehanode 2 lediglich
ein schmaler Spalt 18 gebildet ist, der einerseits von
der Mantelfläche
oder Außenfläche 19 des
Ringvorsprungs 17 und andererseits von der Innenfläche 20 der Drehanode 2 begrenzt
wird. Der Spalt 18 ist hierbei zur Bildung eines Gleitlagers
mit einem Flüssigmetall M,
insbesondere Gallium oder einer Gallium-Legierung, ausgefüllt.
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Die
Drehanode 2 ist an ihren axialen Enden, d.h. an dem Boden 10 und
dem Deckel 9, mit jeweils einer Hülse 21 bzw. 22 verbunden,
insbesondere verschweißt
oder verlötet.
Die Hülsen 21 und 22 umgeben
jeweils in axialer Verlängerung
der Drehanode 2 die Achse 7 konzentrisch und mit
geringem Spiel. Der mit Flüssigmetall
M gefüllte
Spalt 18 wird hierdurch in den Bereich der Hülsen 21 und 22 verlängert und
ist hier durch das Spiel zwischen der jeweiligen Hülse 21, 22 und
der Achse 7 gegeben.
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Ein
Auslaufen des Flüssigmetalls
M aus dem Spalt
18 wird hierbei nach herkömmlicher,
z.B. in der
DE 195
23 162 A1 beschriebener Technik dadurch verhindert, dass
die axialen Randbereiche des Spalts
18, beispielsweise
durch Beschichtung mit Titanoxid (TiO
2),
anti-benetzend für
das Flüssigmetall
M ausführt
sind. Der zentrale Bereich des Spalts
18 ist hingegen vorzugsweise,
beispielsweise durch Beschichtung mit Molybdän, benetzend ausgeführt.
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Jede
Hülse 21, 22 trägt ein optional
vorgesehenes zusätzliches
Wälzlager 23.
Je nach der Beschaffenheit des Spalts 18 trägt dieser
mehr oder weniger stark zur Lagerung der Drehanode 2 bei.
In der bevorzugten Ausführung
sind die Wälzlager 23 allenfalls
als Hilfslager zur Verbesserung der Lagerung vorgesehen und können bedarfsweise
zur konstruktiven Vereinfachung der Röntgenröhre auch weggelassen sein.
Die Lagerung der Drehanode 2 erfolgt in letzterem Fall
allein über
den mit Flüssigmetall
M gefüllten
Spalt 18, der an sich bereits eine effektive Lagerung gewährleistet.
Alternativ kann die Lagerung jedoch auch vorrangig über die
Wälzlager 23 erfolgen.
Die Hauptfunktion des flüssigmetallgefüllten Spalts 18 besteht
in diesem Fall in der Wärmeableitung
und der Kontaktierung der Drehanode 2.
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Die
Hülse 22 dient
gleichzeitig zum Drehantrieb der Drehanode 2, indem sie
als Rotor mit einem außerhalb
des Vakuumgehäuses 3 angeordneten Stators 24 zur
Bildung eines Elektromotors zusammenwirkt. Zur Herstellung oder
Verbesserung der für einen
Rotor erforderlichen elektrischen Eigenschaften ist optional ein
geeigneter Rotorbelag 25, z.B. Kupfer, umfänglich auf
der Hülse 22 aufgebracht.
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Zur
Erzeugung der Röntgenstrahlung
R wird zwischen der Kathode 1 und der Anode 2 eine
Hochspannung angelegt. Die Hochspannung wird von einer in einer
schematisch dargestellten Generatoreinrichtung 26 enthaltenen
Hochspannungsquelle 27 zur Verfügung gestellt. Die Kontaktierung
der Drehanode 2 erfolgt hierbei über das auf Erdpotential E
gelegte Vakuumgehäuse 3,
die damit leitend verbundene Achse 7 und den Flüssigmetallfilm
im Spalt 18. Die Generatoreinrichtung 26 enthält weiterhin
eine Heizspannungsquelle 28, welche zur Erzeugung einer
Heizspannung an die Kathode 1 angeschlossen ist. Die im
Betrieb der Röntgenröhre durch
Anlegen der Heizspannung beheizte Kathode 1 emittiert Elektronen,
die durch Wirkung der Hochspannung unter Bildung des Elektronenstrahls
S in Richtung der Drehanode 2, d.h. insbesondere senkrecht
zur Achse 7, beschleunigt werden und dort im Bereich der schräg zur Strahlrichtung
gestellten Schicht 13 auftreffen. Die hierbei erzeugte,
schematisch anhand eines in Axialrichtung gerichteten Strahls dargestellte Röntgenstrahlung
R verlässt
das Vakuumgehäuse 3 und
das Schutzgehäuse 6 durch
axial fluchtend im Strahlengang positionierte, für Röntgenstrahlung R durchlässige Strahlungsfenster 29 und 30 des
Vakuumgehäuses 3 bzw.
des Schutzgehäuses 6.
Abseits des Strah lungsfensters 30 ist das Schutzgehäuse 6 mit
einem Strahlungsschutzmaterial, z.B. Blei, zur Abschwächung unerwünschter
Streustrahlung versehen.
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Die
Drehanode 2 ist im Betrieb der Röntgenröhre mittels des durch die Hülse 22 und
den Stator 24 gebildeten Elektromotors drehangetrieben,
wodurch die Schicht 13 bezüglich des auftreffenden Elektronenstrahls
S rotiert, und die durch den Elektronenbeschuss erzeugte Verlustwärme ringförmig auf
den Umfang der Drehanode 2 verteilt wird. Der Elektromotor
ist von einer Spannungsquelle 31 der Generatoreinrichtung 26 spannungsversorgt.
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Die
in der Drehanode 2 anfallende Verlustwärme wird über den Flüssigmetallfilm im Spalt 18 sehr
effektiv auf den Ringvorsprung 17 übertragen, der hierzu aus einem
gut wärmeleitenden
Material hergestellt ist. Zur Ableitung der Verlustwärme aus dem
Vakuumgehäuse 3 verläuft innerhalb
der Achse 7 und des Ringvorsprungs 17 ein Kühlmittelkanal 32, der
mit einem Kühlmittel
beschickbar ist. Als Kühlmittel
wird hierbei die Flüssigkeit
F herangezogen. Der Kühlmittelkanal 32 verzweigt
sich im Bereich des Ringvorsprungs 17 in mehrere Teilkanäle, von
denen in der Figur zwei, nämlich
die Teilkanäle 32a und 32b sichtbar
sind. Diese sind nahe an der Außenfläche 19 des
Ringvorsprungs 17 entlang geführt, um eine wirksame Wärmeabfuhr
zu gewährleisten.
Der koaxiale Verlauf des Kühlmittelkanals 32 ist
innerhalb des Ringvorsprungs 17 unterbrochen, so dass eine Durchströmung der
Teilkanäle 32a, 32b erzwungen ist.
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Wie
aus der Figur anhand der die Strömungsrichtung
im Kühlmittelkanal 19 angebenden Pfeile
erkennbar ist, weist ein Ende der Achse 7 eine Einströmöffnung 33 des
Kühlmittelkanals 32 auf, während sich
eine Ausströmöffnung 34 an
dem entgegengesetzten Ende der Achse 7 befindet. Die Achse 7 ist
hierfür
derart aus dem Vakuumgehäuse 3 herausgeführt, dass
die Einströmöffnung 33 und
die Ausströmöffnung 34 zum
Innenraum des Schutzgehäuses 6 hin
geöffnet
sind. Der Kühlmittelkanal 32 steht
somit in fluidischer Verbindung mit dem flüssigkeitsgefüllten Schutzgehäuse 6.
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Der
zur Kühlung
erforderliche Flüssigkeitsstrom
wird mittels einer schematisch angedeuteten Pumpe 35 erzeugt,
die in eine schematisch angedeutete Kühlmittelleitung 36 geschaltet
ist. Die Kühlmittelleitung 36 beginnt
innerhalb des Schutzgehäuses 6 nahe
der Ausströmöffnung 34 und
endet in einem mit dem Schutzgehäuse 6 verbundenen
und in die Einströmöffnung 33 des
Kühlmittelkanals 32 ragenden
Rohrstutzen 37. Die als Kühlmittel verwendete Flüssigkeit
F wird somit von der Pumpe 35 angesaugt, durchläuft einen
in die Kühlmittelleitung 36 geschalteten
Kühler 38 und
wird durch den Rohrstutzen 37 dem Kühlmittelkanal 32 zugeführt. Infolge
der losen, insbesondere nicht fluidisch abgedichteten Verbindung
zwischen der Kühlmittelleitung 36 und
dem Kühlmittelkanal 32 findet
hierbei eine partielle Vermischung der in der Kühlmittelleitung 36 und
dem Kühlmittelkanal 32 umlaufenden
Flüssigkeit
F und der im Schutzgehäuse 6 ruhenden
Flüssigkeit
F statt, wodurch ein allmählicher
Flüssigkeitsaustausch
zwischen dem Schutzgehäuse 6 und
dem Kühlmittelkanal 32 gewährleistet
ist.
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Sofern
ein Kühler
nicht erforderlich ist, kann alternativ der Kühlmittelkreislauf auch in nicht
explizit dargestellter Weise innerhalb des Schutzgehäuses 6 erfolgen.
Es ist dann eine Pumpe im Innenraum des Schutzgehäuses 6 vorgesehen,
die zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstroms
die in dem Schutzgehäuse 6 befindliche
Flüssigkeit
der Einströmöffnung 33 des Kühlmittelkanals 32 zuführt.