-
Verwandte Anmeldung
-
Die vorliegende Erfindung steht in
Beziehung zur Anmeldung (Anwaltsakte 128513) mit dem Titel "HV-System für eine monopolare
CT-Röhre", die gleichzeitig
hiermit eingereichtwurde und durch Bezugnahme hier aufgenommen wird.
-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf Abbildungssysteme und mehr im Besonderen auf
eine verbesserte Vorrichtung zum Verbinden eines elektrischen Hochspannungs-(HV)-Kabels mit einer
Röntgenröhre.
-
Hintergrund
-
Typische Drehanoden-Röntgenröhren schließen einen
Strahl von Elektronen ein, der durch ein Vakuum und über eine
sehr hohe Spannung (in der Größenordnung
von 100 Kilovolt) von einer Kathode zu einer Brennfleck-Position
auf einer Anode gerichtet ist. Röntgenstrahlen
werden erzeugt, wenn Elektronen auf eine Anode auftreffen, die typischerweise
eine Wolfram-Brennspur bzw. eine -Targetspur einschließt, die
mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht wird.
-
Die Umwandlungs-Wirksamkeit von Röntgenröhren ist
relativ gering, d.h., typischerweise weniger als 1% der insgesamt
zugeführten
Energie. Der Rest wird in thermische Energie oder Wärme umgewandelt.
Die Wärmeentfernung
oder andere wirksame Prozeduren zur Wärmehandhabung sind ein Hauptproblem
beim Röntgenröhren-Design.
-
Elektrische HV-Leistungskabel werden
typischerweise benutzt, um die erforderlichen mehr als 100 Kilovolt
Potentialunterschied zwischen der Kathode und Anode bereitzustellen,
um die vorerwähnten
Röntgenstrahlen
zu erzeugen. Ein Ende des Kabels ist mit einer Energiequelle verbunden
und das andere Ende ist zur Verbindung mit der Kathode mit der Röhre mittels
einer HV-Verbindungs-Baueinheit verbunden. Die Verbindungs-Baueinheit schließt im Allgemeinen
eine Haltestruktur eint um das Ende des Kabels mit Bezug auf die
Röhre derart
zu halten, dass der Endteil der Kabelleiter mit einer Röhre verbunden
werden können.
Die Kabelleiter schließen
typischerweise entweder einen einzelnen Leiter oder eine Anzahl
von Leitern ein.
-
Die Verbindungs-Baueinheit schließt weiter eine
Menge von HV-Isolation ein, die irgendeinen exponierten Abschnitt
der Kabelleiter umgibt, die außerhalb
der Röhre
liegen. Die HV-Isolation ist mit der Röntgenröhre verbunden und sie ist in
Relation zur hohen Spannung der Kabelleiter relativ dick.
-
Im Allgemeinen sind Hochspannungs-Iasolationsmaterialien,
wie Epoxy, auch sehr schlechte Wärmeleiter.
Dies erzeugt unerwünschte
Resultate, wenn eine HV-Verbindungs-Baueinheit direkt an einer Röntgenröhre angebracht
ist, wie an einem Ende davon.
-
Wie oben ausgeführt, wird in der Röntgenröhre, als
ein unerwünschtes
Nebenprodukt der Röntgenstrahl-Erzeugung,
eine große
Wärmemenge erzeugt.
Ein Teil dieser Wärme
ist gegen das Verbindungsteil-Isolationsmaterial gerichtet, das
einen vergleichsweise großen
Bereich aufweist, der mit der Röhre
in Kontakt steht. Wegen seiner schlechten Wärmeleitungs-Eigenschaften dient
dieser Isolator als eine Wärmesperre,
sodass sich eine beträchtliche
Wärmemenge
nahe dem Verbindungsteil ansammelt. Als Resultat können die
Temperaturgrenzen der Ver bindungsteil-Isolation leicht überschritten werden,
sodass die stationäre
Leistungsfähigkeit
einer Röntgenröhre begrenzt
ist.
-
Um den Klinik-Durchsatz zu verbessern,
stehen Röntgenröhren-Designer
einer immer zunehmenden Anforderung nach mehr Leistung gegenüber. Traditionell
haben CT-Röhren
ein bipolares HV-System zur Erzeugung von Röntgenstrahlen eingeschlossen,
bei dem eine Kathode und Anode bei 70 kV unter verschiedenen Polaritäten betrieben
wurden. Ein bipolares HV-System benutzt typischerweise einen Bundesstandard-Steckdose/Stekker,
um die HV in das Röhrengehäuse zu bringen,
wobei HV-Verbindungen durch HV-Durchführung in einen Röhreneinsatz
in Öl hergestellt
sind.
-
HV-Komponenten in bipolaren Systemen sind
für die
Größenordnung
von 70 kV vorgesehen. Um mehr Röhren-Spitzenleistung
zu erlauben, wurde eine Konfiguration mit monopolarem HV-System
eingeführt.
Eine monopolare Röhre
wird bei 140 kV mit negativer Polarität betrieben und sie schließt eine
geerdete Anoden-Elektrode ein.
-
Monopolare Systeme haben zahlreiche
Herausforderungen hinsichtlich HV-Abstand, Entladungsaktivitäten aufgrund
einer sehr viel höheren Betriebsspannung
und beschränkter
Abmessungen. Für
solche Konfigurationen wurden konische Isolatoren/Stecker entwickelt.
Es wurden jedoch aufgrund der Wärmespannung
und des Material-Abbaus dieser konischen Teile mehrere Zuverlässigkeits-
und Leistungsfähigkeits-Fragen
identifiziert. Die konische HV-Isolation ist daher im Allgemeinen
keine brauchbare Option für
Hochleistungsröhren.
-
Eine der Hauptherausforderungen,
der ein HV-Verbindungsteil gegenüber
steht, ist die HV-Integrität
unter Bedingungen hoher Leistung. Für eine kontinuierliche Anwendung
bei hoher Leistung können
die Verbindungsteil-Temperaturen die Materialgrenzen übersteigen.
Folglich kann ein katastrophales Versagen durch elektrischen Durchbruch
aufgrund einer thermischen Überforderung
oder Langzeitentladungen aufgrund von Material-Abbau durch zu hohe
Temperaturen auftreten.
-
Typische HV-Lösungen haben häufig Schwierigkeiten
bei der Handhabung von Hochtemperatur-Szenarien, die Temperaturen von
mehr als 150°C
einschließen.
Komponenten, die EPR-Kautschuk einschließen, der nur für 105°C kontinuierlich zugelassen
ist, sind sehr problematisch für
solche Anwendungen.
-
Die mit den derzeitigen Röntgensystemen verbundenen
Nachteile haben es deutlich gemacht, dass eine neue Technik für die HV-Verbindung
mit Röntgensystemen
erforderlich ist, Die neue Technik sollte eine robuste Antwort auf
thermische Spannung einschließen
und den Material-Abbau verhindern, während eine hervorragende HV-Leistungsfähigkeit beibehalten
wird. Darauf ist die vorliegende Erfindung gerichtet.
-
Zusammenfassung der Erfindung Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt ein HV-Verbindungsteil-System
für eine
monopolare Röntgen-Vorrichtung eine
erste Seite ein, die eine Dichtung einschließt, worin die Dichtung eine
zentrale Öffnung
zur Anpassung des Teiles des Faraday-Bechers definiert. Das System
schließt
auch eine zweite Seite, die im Wesentlichen parallel zur ersten
Seite angeordnet ist, und eine äußere Kante ein,
die zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite angeord- net
und damit gekoppelt ist. Die äußere Kante
schließt
einen Kabelanschluss ein, der zur Aufnahme eines HV-Kabels angepasst
ist. Ein thermisch leitfähiges
Epoxymaterial ist in dem zylindrischen abgeschirmten Gehäuse eingeschlossen
und ein Faraday-Becher ist vom Epoxymaterial umgeben und liegt koaxial
mit der zentralen Öffnung,
wobei die abgeschirmte Vorrichtung zum elektrischen Koppeln an ein
HV-Kabel und eine Röntgen-Vorrichtung
eingerichtet ist.
-
Gemäß einem anderen Aspekt der
vorliegenden Erfindung schließt
ein Verfahren zum Zusammenbauen eines HV-Systems für eine monopolare
Röntgen-Vorrichtung
das Koppeln eines zylindrischen HV-Verbindungsteiles mit Zuführungsleitung an
eine Röntgen-Vorrichtung
ein. Das HV-Verbindungsteil ist durch mehrere Feder-belastete Bolzen an
den Flansch der Röntgen-Vorrichtung
(Röhrengehäuse) montiert.
Eine Vorbelastung wird derart ausgeübt, dass die Dichtung zwischen
HV-Isolator (Keramik) und Verbindungsteil komprimiert ist. Um den innigen
Kontakt zu verbessern und Hohlräume
entlang den Dichtungs- Grenzflächen zu
verhindern, wird eine dünne
Schicht von Siliconfett auf die Grenzflächen aufgebracht.
-
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
ist es, dass der Faraday-Becher eine beträchtliche Verminderung in lokale
elektrischen Feldern in der Nähe
von HV-Drahtverbindungen bietet, was Teilentladungs-Aktivitäten verringert.
Ein anderer Vorteil ist das Wärmemanagement
mit verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten
von Dichtungs- und Epoxymaterialien.
-
Zusätzliche Vorteile und Merkmale
der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
deutlich und können
durch die Instrumente und Kombinationen realisiert werden, auf die
in den beigefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung besonders hingewiesen ist.
-
Für
ein vollständigeres
Verstehen der Erfindung werden nun einige Ausführungsformen beschrieben, die
beispielhaft angegeben sind, wobei auf die beigefügte Zeichnung
Bezug genommen wird, in der zeigen:
-
1 eine
perspektivische Ansicht mit einem weggebrochenen Abschnitt, die
ein Röntgenröhrensystem
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
-
2 eine
perspektivische Ansicht eines HV-Verbindungsteiles gemäß 1,
-
2A eine
Schnittansicht von 2 in
der Richtung von A-A,
-
2B eine
Schnittansicht von 2 in
der Richtung von A-A gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
-
3 eine
perspektivische Ansicht des HV-Verbindungs-Systems gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und
-
3A eine
Schnittansicht von 3 in
der Richtung von A-A.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Die vorliegende Erfindung wird mit
Bezug auf ein HV-Verbindungs-System veranschaulicht, das besonders
für das
medizinischen Gebiet geeignet ist. Die vorliegende Erfindung ist
jedoch auch für
andere Einsätze
anwendbar, die HV-Verbin dungs-Systeme erfordern mögen, wie
dem Fachmann klar sein wird.
-
In 1 ist
ein Röntgenröhrensystem 10 (Röntgenvorrichtung)
veranschaulicht, das ein HV-System 11 einschließt, das
mit einem Metallgehäuse 12 gekoppelt
ist, das andere Röntgenröhren-Komponenten
trägt,
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
Das HV-System 11, das einen
HV-Isolator 13, eine Dichtung 15 und ein HV-Verbindungsteil 17 einschließt, wird
detailliert mit Bezug auf die 2, 3 und 3A erläutert.
-
Das Metallgehäuse 12 schließt eine
Kathode 14 und eine Schutzvakuumhülle für die Kathode 14 ein.
Die Kathode 14 richtet einen Strahl von Elektronen 16 hoher
Energie auf eine Targetspur 18 einer Anode 20,
die eine hochschmelzende Metallscheibe einschließt und die mittels eines konventionellen Montage-
und Antriebs-Mechanismus 22 kontinuierlich gedreht wird.
Die Targetspur 18 hat einen ringförmige Konfiguration und sie
schließt
typischerweise eine Legierung auf Wolframbasis ein, die integral
mit der Elektrodenscheibe 20 verbunden ist. Während die
Anode 20 rotiert, trifft der Elektronen strahl von der
Kathode 14 auf einen sich kontinuierlich ändernden
Abschnitt der Targetspur 18 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen
an einer Brennfleck-Position 24. Dadurch erzeugte Röntgenstrahlen 26 werden
von dem Anoden-Brennfleck durch ein für Röntgenstrahlen durchlässiges Fenster 27,
das in der Seite des Gehäuses 12 vorgesehen
ist, projiziert.
-
Um Röntgenstrahlen, wie oben beschrieben, zu
erzeugen, muss es einen Potentialunterschied in der Gräßenordnung
von 100 Kilovolt zwischen Kathode 14 und Anode 20 geben.
In einer monopolaren Röhrenanordnung
wird dies durch ein (nicht gezeigtes) Erden der Anode und Anlegen
von Leistung im erforderlichen 100 Kilovolt-Bereich an Kathode 14 durch
ein elektrisches Kabel 28 erzielt. Wegen der durch Kabel 28 getragenen
Hochspannung ist es erforderlich, das HV-Verbindungsteil 17 zum
Koppeln des Kabels 28 an Kathode 14 zu benutzen.
-
Das HV-System 11 schließt einen
HV-Isolator 13 in einem Isolator-Gehäuse 29 und gekoppelt an
eine Dichtung 15 ein, die an ein HV-Verbindungsteil 17 gekoppelt
ist. Das verkör perte
HV-System schließt
die vorerwähnten
Komponenten koaxial mit Achse 87 ein, doch sind zahlreiche
andere Anordnungen eingeschlossen, wie der Fachmann verstehen wird.
-
Das HV-Verbindungsteil 17 schließt ein thermisch
leiten des Epoxymaterial 70, Kabelanschluss 72,
Faraday-Becher 74, Feder-belastete Kontakte 76 und
mit Blei ausgekleidetes Al-Gehäuse 78 ein.
-
Bezugnehmend auf 1, 2, 2A, 2B, 3 und 3A schließt das HV-Verbindungsteil 17 ein
zylindrisches abgeschirmtes Gehäuse
(mit Blei ausgekleidetes Al-Gehäuse 78)
ein, das eine erste Seite 84 (Oberseite mit Bezug auf die Figuren)
einschließt,
die eine Dichtung 15 einschließt, wobei die Dichtung 15 eine Öffnung 86 bildet,
die an einen Teil des Faraday-Becheras angepasst ist. Das HV-Verbindungsteil 17 schließt auch
eine zweite Seite 88 (Bodenseite mit Bezug auf die Figuren),
die im Wesentlichen parallel zur ersten Seite 84 angeordnet ist,
und eine äußere Kante 90 ein,
die zwischen der ersten Seite 84 und der zweiten Seite 88 angeordnet
und damit gekoppelt ist. Die Außenkante 90 schließt einen
Kabelanschluss 72 ein, der zur Aufnahme eines HV-Kabels 28 ausgebildet
ist. Ein thermisch leitfähiges
Epoxymaterial 70 ist in dem zylindrischen abgeschirmten Gehäuse 78 eingeschlossen
und ein Faraday-Becher 74 ist von dem Epoxymaterial 70 umgeben,
wobei der Faraday-Becher 74 zum elektrischen Koppeln mit
einem HV-Kabel 28 und dem elektrischen Kopplungselement 38 eingerichtet
ist, wie noch erläutert wird.
-
Um den freigelegten Endabschnitt
der Leiter 38, d.h, den Abschnitt, der sich zwischen dem
Ende des Isolators 80 und Isolator 13 innerhalb
der Röhre 10 erstreckt,
zu isolieren, ist das HV-Verbindungsteil-Gehäuse 78 mit elektrisch
isolierendem Material, wie Epoxymaterial 70, gefüllt. Das
thermisch leitende Epoxymaterial 70 schließt Füllstoffe,
wie Al2O3-, oder AlN-
oder BN-Pulver, ein. Um die thermische Leitfähigkeit weiter zu erhöhen, ist
das Epoxymaterial 70 alternativ mit Stücken 71 aus ähnlichen
Materialien versehen, wie in 2A.
Es kann auch ein Block 73 aus Al2O3 als Teil des thermischen Leitungspfades ebenso
wie als HV-Isolation im Epoxymaterial benutzt werden, wie in 2B.
-
Das HV-Verbindungsteil 17 bietet
eine effiziente Wärmemanagement-Lösung durch
Auswahl thermischer Leitfähigkeiten
von Dichtung 15 und Epoxymaterial 70. So ergibt,
z.B., der Einsatz einer Dichtung mit einer hohen Leitfähigkeit
und von Epoxymaterial mit geringer Leitfähigkeit einen Wärmepfad,
der den Wärmefluss
durch die Dichtung zum Gehäuse
leitet. Als ein Resultat wird eine signifikante Wärmemenge
um das Verbindungsteil herumgeleitet. Alternativ ergibt der Einsatz
eines Epoxymaterials mit hoher Wärmeleitfähigkeit
und einer Dichtung mit geringer Leitfähigkeit eine Sperre, die Wärme daran
hindert, in das Verbindungteil 17 zu gelangen. Um den innigen
Kontakt zu verbessern und Hohlräume
entlang den Dichtungs- Grenzflächen
zu verhindern, wird eine dünne
Schicht von Siliconfett auf die Grenzflächen aufgebracht.
-
Der Faraday-Becher 74 im
zentralen Bereich bietet eine Abschirmung des elektrischen Feldes
zur Umgebung, was unerwünschte
Teilentladung verringert. Innerhalb des Faraday-Bechers 74 ist
das elektrische Feld auf ein vernachlässigbares Niveau verringert.
Der HV-Übergang
und die -Verbindung sind vor Entladungen geschützt.
-
Feder-belastete Kontakte 76,
wie ein Feder-belasteter Pogostift, vereinfachen die Stiftausrichtung
und die Robustheit zur Handhabung. Inconel kann als ein Feder-Material
für eine
höhere
Temperaturgrenze eingesetzt werden. Die Federbelastung erhöht die Kontaktwirksamkeit
der HV-Verbindung zwischen HV-Isolator 13 und HV-Verbindungsteil 17 unter
verschiedenen thermischen Bedingungen.
-
Das HV-Verbindungsteil 17 (mit
Blei ausgekleidetes HV-Verbindungsteil)
schließt
thermisch leitendes Epoxymaterial 70 ein und ist mit dem
Flansch 66 des Isolator-Gehäuses 29 gekoppelt,
wobei das HV-Verbindungsteil 17 weiter einen HV-Kabelanschluss 72 einschließt.
-
Das HV-Verbindungsteil 17 schließt das mit Blei
ausgekleidete Gehäuse 78 ein,
das mit dem Röhrengehäuse 12 verbunden
ist, wie an einem Ende davon oder durch das Isolator-Gehäuse 29,
wie veranschaulicht. Das mit Blei ausgekleidete Gehäuse 78 ist
als alternative Materialien, wie Aluminium, einschließend verkörpert.
-
Der Isolator 13 ist eingeschlossen,
um die Gesamt-HV-Stabilität in einem
Vakuum zu verbessern. Das Isolator-Profil ist optimiert, um Oberflächen-Überschläge zu verhindern.
Die elektrische Spannung am Dreifachpunkt ist durch Metallisierung (d.h.,
der Dreifachpunkt ist verschoben) minimiert, wodurch Entladungs-Aktivitäten gemildert
werden. Die Isolator-Gestalt,
wie veranschaulicht, ist so entworfen, dass der Isolator 13 eine
optimale HV-Leistungsfähigkeit
zur Verhinderung von Oberflächen-Überschlägen und
Massendurchbruch der Keramik. aufweist. Es sollte klar sein, dass
der dargestellte Isolator einer zahlreicher möglicher Isolatoren ist, die
in der vorliegenden Erfindung benutzt werden können, wie dem Fachmann klar
sein wird.
-
Nochmals bezugnehmend auf 1, 3 und 3A wird
aus elektrischen, thermischen und mechanischen Gründen eine
leicht abgeschrägte
Dichtung 15 benutzt. Die verkörperte Dichtung 15 hat
ein dickes Zentrum und leicht dünnere
Kanten, doch schließen andere
Ausführungsformen
eine gleichmäßige Dichtung
ein. Die Dichtung 15 ist Idealerweise aus einem Silicon-Material
(oder einem vergleichbaren Ersatz davon) hergestellt und befindet
sich unter Kompression mit einer Last von etwa 105 kPa bis 210 kPa
(15 bis 30 psi), wenn das Feder-belastete Verbindungsteil 17 gegen
die flache Oberfläche
des Keramik-Isolators 13 drückt. Der enge Kontakt stellt
die HV-Integrität
entlang allen Grenzflächen
und damit die HV-Leistungsfähigkeit
sicher.
-
Das HV-Kabel 28 schließt einen
oder mehrere elektrische Leiter 82 ein, die entlang dem
Zentrum des Kabels 28 angeordnet sind, sowie eine Schicht aus
HV-Isolation 80, die die Leiter 82 umgibt. Wie oben
ausgeführt,
kann es einen einzelnen massiven Leiter 82 oder eine Anzahl
von Leitern geben. Das HV-Kabel 28 ist mit dem HV-Kabelanschluss
derart gekoppelt, dass das HV-Kabel mit dem Faraday-Becher 74 oder
einer anderen leitenden Einrichtung in Kontakt steht, wie der Fachmann
verstehen wird.
-
Das HV-Kabel 28 ist durch
eine Öffnung 72 im
Verbindungsteil-Gehäuse 78 in
das HV-Verbindungsteil 17 eingeführt. Die Öffnung 72 ist typischerweise
transaxial zur Achse 87 an geordnet. Leiter 82 erstrecken
sich über
das Ende der Isolationsschicht 80 hinaus und werden durch
die Durchführung
eines HV-Isolators 13 geführt und mit einem elektrischen Kopplungselement 38 verbunden,
das mit der Kathode 14 verbunden ist. Das elektrische Kopplungselement 38 und
Kathode 14 Werden durch den HV-Isolator 13, der
durch das Ende der Röhre 10 eingeführt und
aus keramischem Material oder Ähnlichem
gebildet ist, an Ort und Stelle gehalten.
-
Leiter 82 weisen typischerweise
Kupfer auf und Isolator 80 schließt ein Material, wie EP-Kautschuk,
ein. Ein solches Material versorgt das HV-Kabel 28 mit
Flexibilität
und bietet gleichzeitig genügend Isolation
für die
dadurch getragene elektrische Hochspannungsenergie.
-
Im Betrieb wird die Röntgenquelle
aktiviert und die Hochspannungsladung gelangt durch den HV-Leiter
und in den Faraday-Becher. Gleichzeitig minimiert der HV-Isolator
die elektrischen Felder und potentielle Entladungen durch das vorstehend
beschriebene einzigartige Design.
-
Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich,
dass ein neues HV-Verbindungs-System 10 geschaffen wurde.
Es sollte klar sein, dass die vorhergehende Beschreibung der bevorzugte
Ausführungsform
lediglich veranschaulichend für
einige des vielen spezifischen Ausführungsformen ist, die Anwendungen der
Prinzipien der vorliegenden Erfindung repräsentieren. Für den Fachmann
sind zahlreiche und andere Anordnungen deutlich, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert
ist.