DE19607072A1 - Kompakte medizinische Röntgenröhre mit einem Fluid-gekühlten thermischen Strahlungsrezeptor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Röntgenröhren und insbesondere auf eine kompakte Röntgenröhre, die eine be­ sondere Anoden-Konfiguration und einen thermischen Strah­ lungsrezeptor (-aufnehmer) enthält

Die meisten Röntgenröhren, die in der medizinischen diagnostischen Bildgebung verwendet werden, sind mit einer rotierenden Anodenstruktur versehen, um die an dem Brenn­ punkt erzeugte Wärme zu verteilen. Die Anode weist ein Ziel bzw. Target und einen Rotor auf, die beide auf einem anodi­ schen elektrischen Potential gehalten sind. Die Anode wird durch einen Induktionsmotor gedreht, der aus dem zylindri­ schen Rotor, der in eine auskragende Achse gebaut ist, die das scheibenförmige Anoden-Target haltert, und einer eiser­ nen Statorstruktur mit Kupferwicklungen besteht, die den langgestreckten Hals der Röntgenröhre umgeben, der den Ro­ tor enthält. Der Rotor der rotierenden Anodenanordnung, der durch den Stator angetrieben wird, der den Rotor der An­ odenanordnung umgibt, ist auf einem anodischen Potential, während der Stator auf einem elektrischen Bezugspotential nahe Erdpotential ist. Die Kathode der Röntgenröhre sorgt für ein fokussiertes Elektronenbündel, das über dem Anoden/ Kathoden-Vakuumspalt beschleunigt wird, und erzeugt Röntgenstrahlen beim Aufprall auf die Anode.

Eine derartige Anordnung ist typisch für rotierende Röntgenröhren und ist seit ihrer Einführung im Betriebskon­ zept relativ unverändert geblieben. Es ist jedoch ein Ziel der Röntgenröhrenindustrie, die Größe zu minimieren, wäh­ rend die Leistungsfähigkeit bzw. Performance maximiert wer­ den soll. Leider haben diese zwei Ziele die Tendenz, einan­ der entgegengesetzt zu wirken, denn eine Erhöhung der Lei­ stungsfähigkeit ist durch eine Vergrößerung der Größe (Durchmesser und Volumen) der Röntgenröhreanode erhalten worden, und deshalb ist die Größe des Vakuummantels und des Gehäuses vergrößert worden.

Es würde wünschenswert sein, eine kompakte Röntgen­ röhre zur Verfügung zu haben, die für mehrere Verbesserun­ gen in den physikalischen und betrieblichen Charakteristi­ ken der Röntgenröhre sorgt, die die Probleme überwinden, die mit den bekannten Röntgenröhren verbunden sind.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, eine verbesserte medizinische Röntgenröhre zu schaf­ fen, bei der die Größe und das Gewicht verkleinert und die thermische Leistungsfähigkeit vergrößert sind. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine derartige Röntgenröhre mit einem Metallrahmen und einem Fluid-gekühlten Wärmere­ zeptor zu schaffen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine derartige Röntgenvorrichtung zu schaffen, die als eine Folge ihrer Elektrodenkonfiguration kompakt ist. Schließ­ lich ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Röntgenröhre zu schaffen, bei der der Anoden-Rotor von sei­ ner normalen Orientierung umgekehrt und bei Erdpotential betrieben wird.

Erfindungsgemäß wird eine kompakte medizinische Röntgenröhre geschaffen, die einen Metallrahmen enthält und eine besondere Anoden-Konfiguration aufweist, bei der der Anoden-Rotor gegenüber seiner normalen Orientierung umge­ kehrt und bei Erdpotential betrieben ist und die ferner einen wassergekühlten thermischen Strahlungsrezeptor (-auf­ nehmer) aufweist.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Größe und das Gewicht einer Röntgenröhre in signifikanter Weise ver­ kleinert, während die Leistungsfähigkeit der Röntgenröhre relativ zu bekannten Röhren vergrößert ist. Die Röntgen­ röhre weist eine Anodenanordnung und eine Kathodenanordnung auf, die seitlich nebeneinander angeordnet sind. Der An­ oden-Rotor ist von seiner normalen Orientierung umgekehrt und bei Erdpotential betrieben. Von dem Röntgen-Target ab­ gestrahlte Wärme wird in den Wänden von einem durch Wasser oder einem anderen geeigneten Kühlmittel gekühlten Rezeptor bzw. Aufnehmer absorbiert. Die Temperatur des Rezeptors wird auf einer geeignet niedrigen Temperatur gehalten durch eine geeignete Wahl der Kühlmittel-Strömungsgeschwindigkeit und der Strömungskanal-Geometrie, die für einen hohen Wär­ meübertragungs-Koeffizienten sorgen. Die Wärme wird dann zur Umgebung abgegeben durch die Verwendung von einem ge­ trennten Wärmetauscher. Die besondere Kombination von Merk­ malen gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet mehrere Verbesserungen in den physikalischen und betrieblichen Cha­ rakteristiken von einer Röntgenröhre.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Be­ schreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht von einer be­ kannten Röntgenröhre; und

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht von einer Röntgenröhre, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Röntgenröh­ renvorrichtung, bei der das Leistungs/Größen-Verhältnis der Vorrichtung stark vergrößert ist. In Fig. 1 ist eine sche­ matische Querschnittsansicht von einer bekannten Röntgen­ röhre 10 gezeigt. Die Röntgenröhre 10 weist eine rotierende Anoden-Anordnung 12, die ein Anoden-Target 14 aufweist, um die an einem Brennpunkt erzeugte Wärme zu verteilen, und eine Röntgenröhren-Kathodenanordnung 16 auf, um ein fokus­ siertes Elektronenbündel zu liefern, das beim Aufprall auf die Anode Röntgenstrahlen erzeugt, die durch ein Röntgen­ fenster 18 emittiert werden. Die Anodenanordnung und die Kathodenanordnung haben jeweils einen zugeordneten Hoch­ spannungskabel-Behälter 20 bzw. 22 und sind von einem Glas- Metall/Keramik- oder Metall/Glas-Rahmen oder Vakuummantel 24 umgeben. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird die Be­ triebsspannung zwischen der Anode und Kathode aufgeteilt, wobei die Anode eine Betriebsspannung von etwa +75 kV und die Kathode eine Betriebsspannung von etwa -75 kV haben, wo­ durch eine gesamte Betriebsspannung von 150 kV in den mei­ sten medizinischen Röntgenanwendungen entsteht.

Gemäß Fig. 1 wird die Anodenanordnung 12 durch einen Induktionsmotor gedreht, der eine zylindrische Rotor- und Lageranordnung 26 aufweist, die um eine auskragende Achse herum gebaut ist. Die Kragachse haltert das scheiben­ förmige Anoden-Target 14, das mit dem Rotor 28 verbunden ist, und enthält Lager, die einem Lagerzapfen 30 zugeordnet sind, um eine Rotation zu erleichtert. Ein Stator 32 ent­ hält einen Eisen-Statorkern mit Kupferwicklungen, die den Rotor umgeben. Ein Gehäuse 34 hat eine Blei-Auskleidung 36 und enthält Öl zum Kühlen der Röhre und zum elektrischen Isolieren der Röhre. Öl-Faltenbälge 38 gestatten eine ther­ mische Expansion des Öls.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist gemäß dem beschrie­ benen Ausführungsbeispiel der Erfindung die Rotor- und La­ geranordnung 26 der rotierenden Anodenanordnung 12, die durch den Stator 32 angetrieben ist, in einer Seite-an- Seite-Relation zu der Kathodenanordnung 16 angeordnet. Der Rotor/Stator-Luftspalt, der üblicherweise recht groß ist, um die elektrische Isolation zwischen der Anode, die auf einem hohen anodischen Potential (+75 kV) arbeitet, und dem Stator beizubehalten, der nahe Erdpotential arbeitet, ist durch die Erfindung eliminiert. Dies vergrößert in dramati­ scher Weise die Effizienz des Motors.

Wie weiterhin in Fig. 2 gezeigt ist, enthält die Röntgenröhre 10 einen Metallrahmen 40 und einen Fluid ge­ kühlten Wärmerezeptor oder einen Wassermantel 42. Diese be­ sondere Kombination von Merkmalen erlaubt mehrere Verbesse­ rungen in den physikalischen und betrieblichen Charakteri­ stiken von einer Röntgenröhre, wie sie hier beschrieben wird. Der Anodenrotor ist an dem Target von der Seite befe­ stigt, auf der sich eine Brennpunktbahn oder das Targetma­ terial befindet (d. h. die Seite, von der die Röntgenstrah­ len erzeugt werden), und erstreckt sich axial in der Rich­ tung des Kathodenabschnittes, der von der Röhrenachse ver­ setzt ist. Somit ist der Rotor 26 in bezug auf das Target 14 umgekehrt (invertiert). Die Vakuumwand an dem Rotor und die Statorpole des Motors sind in großer Nähe zu dem Rotor. Die Kathode ist für einen Betrieb bei vollem Potential aus­ gelegt, üblicherweise bis zu 150 kV für die meisten medizi­ nischen Anwendungen, und zum Fokussieren von Elektronen in einem Feld, das bei einer geerdeten Anode vorhanden ist. Die Kathode ist ferner für eine direkte Verbindung mit ei­ nem Hochspannungskabel ausgelegt, das zwischen der Röhre 10 und einem Generator (nicht gezeigt) angeordnet ist. Gemäß der Erfindung kann der Metallrahmen das umgekehrte Anoden­ target in großer Nähe umschließen, weil die Anode und die Rahmenwände auf dem gleichen Potential sind und dadurch Hochspannungsprobleme eliminiert sind; und weil die Wände aktiv gekühlt sind, wodurch thermische Probleme eliminiert werden.

Gemäß der Erfindung hat das Target keine Mittelboh­ rung mehr für den Durchtritt des Befestigungszapfens des Rotors. Die metallische Vakuumwand 40 umschließt das Target in großer Nähe, was durch einen Betrieb mit geerdeter Anode möglich gemacht wird. Eine äußere Kammer bildet das mit Kühlmittel gefüllte Wärmerezeptor/Tauschervolumen oder den Wassermantel 42. Weiterhin sind Verbindungsstücke an dem wasser-Einlaß/Auslaß 46 vorgesehen für die Zirkulation von Kühlmittel durch den Rezeptor bzw. Aufnehmer durch einen entfernten Pumpen/Wärmetauscher (nicht gezeigt).

Die Anode wird bei Erdpotential betrieben und hat eine zugeordnete elektrische Anoden-Verbindung 48, die auf Erdpotential ist. Die Anodenverbindung 48 schließt den Kreis für den elektrischen Strom. Somit gibt es keinen spe­ ziellen Hochspannungsanschluß an der Anode. Üblicherweise kann bei einer bekannten Röhre die Anodenwärme-Ableitge­ schwindigkeit die Größe nicht überschreiten, die von dem Gehäuse bzw. Mantel, wie beispielsweise von dem Öl-Kühlmit­ tel, abgeführt werden kann. Da jedoch der Rahmen 40 gemäß der Erfindung für eine verbesserte Wärmeableitgeschwindig­ keit sorgt und Wasser als Kühlmittel Öl überlegen ist, ist die Wärmeableitung relativ zu den bekannten Röhren verbes­ sert. Infolgedessen wird eine hohe Anodenableitgeschwindig­ keit erzielt mit einer maximalen Strahlung zu einer kalten Oberfläche.

Weiterhin liefert gemäß Fig. 2 ein Hochspannungs- Untersystem Betriebsleistung an die Röntgenröhre 10, und ein Hochspannungs-Isolator 50 isoliert die Kathoden-Struk­ tur (-150 kV) von dem geerdeten Vakuummantel. In bestehenden Systemen ist ein Strömungsmittel (Fluid) erforderlich, um die Röhre zu kühlen und auch die Röhre elektrisch zu iso­ lieren. Das Fluid, das zur Lösung dieser beiden Aufgaben verwendet wird, ist Transformatoröl. Mit der vorliegenden Erfindung wird die Isolation an der Kathode herbeigeführt, wobei der Hochspannungs-Isolator 50 verwendet wird. Da wei­ terhin gemäß der Erfindung der äußere Vakuummantel oder das Äußere der Röhre nun vollständig bei Erdpotential arbeitet, ist Öl für Isolationszwecke nicht mehr erforderlich. Demzu­ folge kann jedes geeignete Fluid bzw. Strömungsmittel, wie beispielsweise Wasser, zum Kühlen verwendet werden. Die Er­ findung bietet daher den Vorteil, daß die Ölschicht, die bei bekannten Systemen erforderlich ist, eliminiert ist, weil kein Öl als Kühlmittel oder zur Hochspannungs-Isola­ tion erforderlich ist. Eine Blei-Auskleidung 52 ist nun di­ rekt auf der Röhre angeordnet, im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, wo sie auf den Gehäusewänden angeordnet ist.

Die kombinierten Merkmale der Erfindung sorgen für eine Reihe von Vorteilen. Erstens wird eine Anoden-Wärmeab­ führgeschwindigkeit erzielt durch eine aktive Kühlung aller Oberflächen, die von dem Target abgestrahlte Wärme empfan­ gen, wodurch irgendwelche Bedenken bezüglich der Überhit­ zung von Teilen des Rahmens oder anderer Komponenten in der Röhre eliminiert werden. Zweitens kann der Wärmetauscher entfernt angeordnet sein, wodurch Lüfter-Geräusche elimi­ niert werden. Der Wärmetauscher kann als Teil des Röntgen­ systems beibehalten werden, weil die Kühlmittel-Zirkulati­ onsschleife nicht länger ein Teil der Hochspannungs-Isola­ tion ist und während der Installation der Röhre unterbro­ chen werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Hochspannungsintegrität des Systems beeinträchtigt wird. In existierenden Systemen wird das Gehäuse unter sorgfältig gesteuerten Bedingungen mit Öl gefüllt. Das System wird dann eingeschlossen und kann während Serviceleistungen oder anderen Wartungen nicht geöffnet werden. Dies hat das nach­ teilige Ergebnis, daß der Wärmetauscher, der einstückig mit der Röntgenröhre ausgebildet ist, jedesmal ausgewechselt werden muß, wenn die Röhre ersetzt werden muß, trotz der Tatsache, daß der Wärmetauscher selten ausfällt. Die Hoch­ spannungsintegrität des Systems wird bei der erfindungsge­ mäßen Röntgenröhre nicht beeinträchtigt, weil Wasser als ein Kühlmittel nicht die kontrollierte bzw. gesteuerte Umge­ bung braucht, wie Öl dies tut. Infolgedessen kann die Röhre in dem System gemäß der Erfindung ausgetauscht werden, ohne daß auch der Wärmetauscher ersetzt wird. Somit ist durch die Erfindung der Vorteil von kleineren gesamten System- und Röhrenkosten erreichbar.

Die Röntgenröhre gemäß der Erfindung ist kompakt, weil eine seitlich nebeneinander angeordnete Elektrodenkon­ figuration verwendet wird, die Anode und der Rahmen auf dem gleichen Potential betrieben werden, die Ölschicht elimi­ niert wird und eine Blei-Auskleidung nahe an dem Brennpunkt 56 vorgesehen ist. Zusätzlich hat das System ein geringes Gewicht aufgrund der Minimierung der Blei-Abschirmung und der Eliminierung von Öl als ein isolierendes Fluid. Die Blei-Abschirmung ist minimiert aufgrund des Metallrahmens und weiterhin aufgrund der Möglichkeit, die Blei-Abschir­ mung in direktem Kontakt mit dem geerdeten und gekühlten Metallrahmen oder -mantel nahe an dem Brennpunkt des Rönt­ genbündels anzuordnen.

Die Erfindung sorgt für den zusätzlichen Vorteil, daß die Strahlung außerhalb des Brennpunktes vermindert wird, weil die Anode auf dem gleichen Potential wie der Me­ tallrahmen liegt und der Vakuummantel nahe an dem Brenn­ punkt 56 angeordnet ist. Elektronen, die von dem Target bei einem ersten Aufprall gestreut werden, werden auf dem Rah­ men gesammelt und über den Anschluß 54 nach Erde abgelei­ tet. Die Hochspannungssicherheit der Röntgenröhre wird ver­ bessert, weil die auf einem hohen elektrischen Potential liegende Oberfläche innerhalb der Röhre minimiert wird, wo­ durch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, daß ein Schmutzteilchen, wie beispielsweise ein loses Partikelchen, einen elektrischen Überschlag zwischen einer Hochspannungs­ komponente und einer geerdeten Oberfläche bewirkt. Bei der erfindungsgemäßen Röntgenröhre besteht keine Notwendigkeit, daß Transformatoröl für eine Isolation sorgt, das sich wäh­ rend der Lebensdauer unter dem Einfluß von Wärme und Rönt­ genstrahlen verschlechtert und einen Hochspannungs-Über­ schlag zwischen der Röhre und dem Gehäuse zur Folge hat, wie es bei bekannten Einrichtungen der Fall ist. Weil der Stator und die Anode auf dem gleichen Potential liegen, kann ein kleiner Motor-Luftspalt verwendet werden, wodurch der Wirkungsgrad des Motors vergrößert wird. Schließlich ist nur ein einziger Hochspannungs-Transformator zur Ver­ sorgung der Röhre erforderlich anstelle der zwei Hochspan­ nungs-Transformatoren, die in bekannten Systemen erforder­ lich sind.

Claims (7)

1. Röntgenröhre mit einer Kathodenanordnung (16) und einer Anodenanordnung (12),
dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenanordnung (12) Seite-an-Seite mit der Kathodenanordnung (16) angeordnet ist und ein Anoden-Target (14) aufweist,
der Anoden-Anordnung (12) ein umgekehrter bzw. invertierter Rotor (26) zugeordnet ist, wobei eine Wärme abstrahlende Oberfläche des Anoden-Targets (14) auf einen Strahlungswärmerezeptor (42) gerichtet ist, und
ein Metallrahmen (40) vorgesehen ist zum Absorbieren von Wärme, die von der Wärme abstrahlenden Oberfläche des Anoden-Targets (14) abgestrahlt wird.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungswärmerezeptor (42) ein mit einem Kühlmittel gefüllter Wärmerezeptor ist.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmerezeptor (42) auf einer niedrigen Temperatur gehalten ist, indem ein durch den Rezeptor hindurchgeleitetes Kühlmittel zu einem Wärmetauscher gepumpt wird (bei 46).

4. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Betreiben der Anoden-Anordnung (12) und des Metallrahmens (40) bei Erdpotential vorgesehen ist und dadurch ein geerdeter Anodenbetrieb erzielbar ist.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Isolator (50) zum elektrischen Isolieren der Kathoden-Anordnung (16) vorgesehen ist.

6. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallrahmen (40) das umgekehrte bzw. invertierte Anoden-Target (14) in großer Nähe umschließt.

7. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochspannungs-Untersystem zur Lieferung von Betriebsleistung an die Röntgenröhre vorgesehen ist.