DE1059117B - Fluessigkeitsgekuehlte Membrananoden-Roentgenroehre - Google Patents

Description

In Röntgenröhren für kontinuierliche Dauerleistungen der Größenordnung von etwa 100 kW verwendet man zwecks günstigerer Strahlenausbeute fast ausschließlich nur noch durchstrahlte Anoden, die mit »Membrananoden« bezeichnet werden. Insbesondere mit zunehmender Höhe der Betriebsspannung verschiebt sich das Intensitätsmaximum der emittierten Bremsstrahlung immer mehr in die Durchstrahlungsrichtung der Anode; allerdings geht dabei durch die Absorption im Anodenmaterial, im Kühlmittel und der Kühlmittelbegrenzung, insbesondere bei schrägem Austrittswinkel, ein nicht unerheblicher Teil der Strahlung verloren. Man muß also bestrebt sein, die absorbierenden Schichtdicken möglichst zu reduzieren, soweit die mechanische Festigkeit der Anode das zuläßt. Um überhaupt die hohen thermischen Flächenbelastungen von der Rückseite der Anode abführen zu können, ist vorgeschlagen worden, mit Siedekühlung zu arbeiten, da anderenfalls sehr große Wasserumlaufmengen mit erheblichem maschinellem Aufwand benötigt würden.

Um die großen Vorteile der Siedekühlung voll ausnutzen zu können, ist auf die rasche Abführung der Dampfblasen das größte Augenmerk gelegt worden. Je dünner die Anode, je kleiner also ihre Wärmekapazität ist, desto intensiver müssen die Dampfblasen weggeführt werden.

Es ist bekannt, eine Röntgenröhre für Körperhöhlenbestrahlung mit einer zylinderförmigen Membrananode zu versehen, die gleichzeitig als Gefäßwand ausgebildet ist, so daß die Röntgenstrahlen in allen Richtungen nach außen austreten können. Würde man eine derartige Röntgenröhre so hoch belasten, daß eine Flüssigkeitskühlung erforderlich wäre, so würde es ohne zusätzliche Maßnahmen kaum möglich sein, die Kühlung derart vorzunehmen, daß keine Dampfblasen der Kühlflüssigkeit an der Anodenwand hängenbleiben und dadurch die dünne Anode beschädigt wird.

Weiterhin ist eine Röntgenröhre mit Membrananode bekannt, bei der die Anode als Teil der Gefäßwandung durch einen tangential an der Membrananode vorbeifließenden Flüssigkeitsstrom gekühlt ist. Eine derartige einfache Wasserkühlung der Anode reicht aber ebenfalls für Hochstromröntgenröhren nicht aus, um Durchbrennungen an der Anode zu vermeiden.

Bei Hochstromröntgenröhren hat man bereits eine relativ dünnwandige Anode im Kühlmittel rotieren lassen. Ist die Relativgeschwindigkeit des Kühlmittels zur Anode hinreichend groß und der Querschnitt des an der heißen Anodenfläche vorbeifließenden Kühlwassers klein, werden ferner die Dampfblasen auf künstlichem Wege aus der heißen Zone entfernt und

Flüssigkeitsgekühlte
Membrananoden-Röntgenröhre

Anmelder:

LICENTIA Patent-Verwaltungs - G. m. b. H._r Hamburg 36, Hohe Bleichen 22

Dr.-Ing. Anton Eisl, Kassel,
ist als Erfinder genannt worden

wird für rasche Kondensation des Dampfes Sorge getragen, so können, wie bekannt, Röhrenleistungen von 100 kW beherrscht werden. Die rotierende Anode, die insbesondere bei sehr hohen Momentbelastungen gegenüber der Festanode sehr große Vorteile besitzt, verliert um so mehr an Bedeutung, je dünner und materialärmer die Anode wird. Eine Anode mit verschwindend kleiner Wärmekapazität benötigt in kontinuierlichem Betrieb keine Kühlperiode mehr, also keine Rotation, da der Wärmeausgleich innerhalb des Anodensystems nur noch von untergeordneter Bedeutung ist. Die TemperaturdifEerenz zwischen der Vakuum- und Wasserseite der Anodenmembrane beträgt bei den jetzt höchst zulässigen Flächenbelastungen von einigen 100 Watt/cm² etwa 10 bis 100° C je nach Dicke und Material.

Ein anderer Weg ist bereits bekannt, nämlich bei stehender Anode die Relativgeschwindigkeit des Wassers so groß zu machen, daß die sich bildenden Dampfblasen durch Turbulenz weggerissen und im Kühlmittel möglichst rasch wieder kondensiert werden. Hierzu wurden bisher aber stets Kühlkanäle zur Führung des Kühlmittels benötigt, die die Strahlenabsorption erhöhen. Bei Röntgenröhren mit verhältnismäßig großen Membrananodenflächen, von denen die Dampfblasen auf raschestem Wege fortzuschaffen sind, treten jedoch erhebliche Schwierigkeiten auf, um an diesen großflächigen Anoden sämtliche Dampfblasen schnell genug abzuführen, die sonst im Bruchteil einer Sekunde zur Zerstörung der Röhre führen würden.

Um diese Nachteile zu vermeiden, bedeckt zur Erzielung einer hohen Belastbarkeit bei einer flüssigkeitsgekühlten Membrananodenröntgenröhre mit zylin-

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drischer Außenwand und axial in dem Zylinder angeordneter Kathode erfindungsgemäß die Membrananode einen achsenparallelen Spalt der Außenwand, dessen Breite in Strömungsrichtung der Flüssigkeit nicht größer als 5 mm ist, und ist die Membrananode in an sich bekannter Weise durch eine tangential an ihr vorbeiströmende Flüssigkeit gekühlt, deren Schichtdicke vor der Membrananode gleich oder kleiner als 1 mm ist.

Wählt man als Anode eine Metallfolie aus Aluminium mit einer Dicke von 0,1 mm und läßt man innerhalb der Anodenfolie eine Temperaturdifferenz von etwa 200° C zwischen Vakuum- und Wasserseite zu, so beträgt die maximal erreichbare spezifische Flächenbelastung 45 000 W/cm² bzw. 10,7 kcal/cm² · see. Bei der Verwendung von Kupfer gleicher Dicke als Anodenmaterial betragen die Werte 73 600 W/cm² bzw. 17,6 kcal/cm² · see. Es ergeben sich hierbei so hohe Flächenbelastungen, daß man mit sehr kleinen Membrananoden auskommen kann. Dies hat konstruktiv ungeahnte Vorteile. Infolge der geringen Membranfläche kann die Anode dem äußeren Luft- und eventuell dem Wasserdruck auch bei sehr geringen Dicken standhalten. Die Röntgenstrahlenabsorption wird geringer als bei den bekannten Ausführungen; die Temperaturdifferenz im Material von angenommen etwa 200⁰C führt noch zu keiner Schwächung der mechanischen Eigenschaften. Die Bauart dieser Röhre entspricht somit der normal üblichen und stößt auch betreffs der vakuumseitigen Beherrschung der hohen Dauerleistung nicht auf Schwierigkeiten.

Wählt man die Membran z. B. 5 mm breit und 100 mm lang, so hat sie auf dem zylinderförmigen Spalt noch genügend mechanische Festigkeit, um den Drücken standzuhalten. Diese Form der Anode gibt gleichzeitig eine sehr günstige Voraussetzung für eine möglichst vollkommene Wärmeabführung. Wenn man das Kühlmittel dem Fenster tangential und quer zur Röhrenachse zuführt, so ist die Verweilzeit der Dampfblasen auf der Anode die kleinstmögliche. Die Durchflußgeschwindigkeit des Wassers wird in weiterer Ausbildung der Erfindung sehr hoch gewählt, so daß die durchfließende Wassermenge ein Vielfaches der verdampfenden Menge ist. Es ist vorteilhaft, wenn der sich bildende Dampf auf raschestem Wege einem Kondensator zugeführt wird. Vorteilhaft wird der am Fenster vorbeistreichende Wasserfilm nicht dicker als 1 mm gewählt, was für dieRöntgenstrahlenabsorption ebenfalls von großer Bedeutung ist. Da bei der gegebenen Dimension bei Aluminium eine Gesamtleistung von maximal 225 kW abführbar ist, würde die verdampfende Wassermenge etwa 100cm³/sec betragen. Führt man die zehnfache Wassermenge gegenüber der verdampfenden zu, so ist etwa 11 Wasser pro Sekunde erforderlich. Wählt man den Wasserfilm, wie oben ausgeführt, 1 mm dick, so muß demgemäß die Wassergeschwindigkeit bei einem Aluminiumfenster 10 m/sec betragen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dem Kühlwasser eine Temperatur von etwa 100⁰C zu geben und dieses einer Spaltdüse, die mindestens die gleiche Länge wie der Anodenspalt hat, zuzuführen, die nach Art eines Injektors das Kühlmittel unter hoher Geschwindigkeit am Fenster vorbeiführt. Hinter dem Fenster wird das Dampf-Wasser-Gemisch in Weiterbildung der Erfindung in einer zylindrischen Trommel aufgefangen und ihm dort, gegebenenfalls durch Spritzbleche, die Möglichkeit guter Durchmischung gegeben. Aus dieser Trommel wird das Kühlmittel ohne allzu große Strömungsverluste einem Kondensator zugeführt.

Es ist noch zu bemerken, daß für Anodenmaterialien geringer Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. V2A-Stahl, eventuell höhere Temperaturdifferenzen im Blech bei Dauerbetrieb zulässig sind, wodurch die Leistung solcher Röhren trotz schlechteren Wärmeleitvermögens eventuell noch gesteigert werden kann. Weiterhin ist es möglich, mehrere Röhren kleiner Leistung in günstiger räumlicher Anordnung parallel laufen zu lassen. Der Anschluß der Hochvakuumpumpen, die strahlensichere Verkleidung der Röhre und auch der berührungssichere Hochspannungsanschluß der Kathode kann nach allgemein üblichen Gesichtspunkten durchgeführt sein, da die Röhre geometrische Abmessungen erhält, die, abgesehen vom Kühlsystem, im Rahmen normal üblicher Konstruktionen liegen.

Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Fig. 1 zeigt eine Röntgenröhre mit einer geerdeten zylindrischen Metallanode 1, an die die beiden Glasfuße 2 angeschmolzen sind, um die Kathode 3 isoliert durch die Anode führen zu können. Die Anode 1 ist mit einem Schlitz 4 versehen in der Größe von etwa 5 · 100 mm². Auf diesem Schlitz ist die Metallfolie 5, beispielsweise Aluminium, als Metallfenster von etwa 0,1 mm Dicke aufgebracht. Vor dem Schlitz ist eine Metalldüse 6 derart angeordnet, durch die das Kühlwasser tangential auf das Fenster unter Druck aufgespritzt wird.

Fig. 2 zeigt ein Querschnittsschema für den Aufbau der Röhre mit der Kühleinrichtung. In der geerdeten zylindrischen Anode 1 ist ein Kathodenkörper 7 mit dem Heizfaden 3 angeordnet. Die Anode liegt in einem Gefäß 8, das mit einem nicht rasch strömenden Kühlmittel gefüllt ist. Durch die mit 9 bezeichnete Rohrleitung, die von einer Druckpumpe kommt, wird Wasser unter hohem Druck durch die Schlitzdüse 6 an dem Fenster 5 vorbeigeführt, wobei es nach dem Injektorprinzip einen dünnen Wasserfilm aus dem Behälter 8 mitreißt. Nachdem das Kühlmittel an dem Fenster vorbeigeströmt ist, gelangt die Dampf-Wasser-Mischung in einen Expansionsraum 10, der gegebenenfalls mit Spritzblechen 11 versehen ist. Von diesem Expansionsraum wird das Wasser zu einem nicht dargestellten Kondensator geführt. Falls man destilliertes Wasser als Kühlmittel verwendet und somit eine Rückkühlung benötigt, wird das Wasser von dem Kondensator zu der Druckpumpe zurückgeführt.

Claims (7)

_0 Patentansprüche:

1. Flüssigkeitsgekühlte Membrananoden-Röntgenröhre mit zylindrischer Außenwand und axial in dem Zylinder angeordneter Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer hohen Belastbarkeit die Membrananode einen achsenparallelen Spalt der Außenwand bedeckt, dessen Breite in Strömungsrichtung der Flüssigkeit nicht größer als 5 mm ist und in an sich bekannter Weise durch eine tangential an der Membrananode vorbeiströmende Flüssigkeit gekühlt ist, deren Schichtdicke vor der Membrananode gleich oder kleiner als 1 mm ist.

2. Membrananoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrananode eine Dicke von maximal 0,1 mm besitzt.

3. Anordnung mit einer Röntgenröhre nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur tangentialen Vorbeiführung der Kühlflüssigkeit an der Membrananode eine Schlitzdüse vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kühlwassers etwa 100° C beträgt.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Kühlflüssigkeit durch eine Druckpumpe erhöht ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit, mit der die Kühlflüssigkeit an der Membrananode vorbeiströmt, so bemessen ist, daß die durchfließende Flüssigkeitsmenge ein Vielfaches der verdampfenden Menge ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser-Dampf-Gemisch hinter der Membrananode in einem Expansionsraum, der gegebenenfalls mit Spritzblechen versehen ist, aufgefangen und ohne große Strömungsverluste einem Kondensator zugeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 94 564;
britische Patentschrift Nr. 357 978;
deutsche Patentanmeldung R 99139 VIII c/21g (bekanntgemacht am 26. 10. 1939).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen