DE19858369C2 - Drehanodenröhre mit fliegend gelagerter Drehanode, insbesondere für Computertomographieanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehanodenröhre mit flie­ gender Lagerung der Drehanode, bei der das Anodenlagersystem von einem Hochspannungsisolator aus keramischen Werkstoff ge­ haltert ist, insbesondere für Computertomographieanlagen, wo­ bei der Hochspannungsisolator eine Isolier- und Tragfunktion aufweist.

Bei derartigen, aus der DE 24 54 823 A1, der DE 296 23 218 U1 und der EP 0 654 812 A1 bekannten Drehanodenröhren mit flie­ gender Lagerung der Drehanode ergibt sich beim Einsatz für Computertomographieanlagen ein sehr großes Biegemoment auf den krafttragenden Isolator, resultierend aus einem mögli­ cherweise großem Anodenteller, einem großen Lagersystemge­ wicht (Gleitlager) und insbesondere aus einer sehr hohen Querbeschleunigung in der Größenordnung von 11 g aufgrund der erhöhten Gantryrotation. Diese Anforderungen lassen sich bis heute nicht befriedigend lösen, so daß der Einsatz der an sich bevorzugten Drehanodenröhren für Computertomographiean­ lagen scheitert oder aber die Drehrotation nicht in dem Maß erhöht werden kann, wie dies für eine optimale Bildgebung an sich wünschenswert wäre.

Zusätzlich zu der notwendigen Aufnahme des großen Biege­ moments über den keramischen Hochspannungsisolator ergeben sich bei den bisherigen Systemen Probierte mit der Vakuum­ festigkeit, da auch diese Funktion ja von dem krafttragenden Hochspannungsisolator mit übernommen werden muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Anoden­ lagersystem für eine Drehanodenröhre der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auch die großen Biegemomente auf­ grund der hohen Querbeschleunigung bei erhöhter Gantryrota­ tion vom Hochspannungsisolator mechanisch aufgefangen werden können und gleichzeitig die bisherigen Schwierigkeiten mit der Vakuumdichtigkeit vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zusätzlich zu dem Hochspannungsisolator ein gesondertes, mit dem keramischen Hochspannungsisolator und der Lagersystemhal­ terung dicht verbundenes Vakuumdichtbauteil vorgesehen ist. Das Vakuumbauteil kann dabei als vorzugsweise aus VA-Stahl bestehender Instrumentenbalg ausgebildet sein, der in einer bevorzugten Ausführungsform des Anodenlagersystems mit einem im tragenden keramischen Hochspannungsisolator befestigten, am Außenende geschlossenen Rohr zur Aufnahme des eigentlichen Anodenlagersystems verschweißt und am keramischen Hochspan­ nungsisolator angelötet ist.

Durch die erfindungsgemäße Funktionstrennung der Vakuumdich­ tigkeit einerseits und des Krafttragens und der elektrischen Hochspannungsisolation andererseits, werden von vorneherein eine Reihe von Problemen vermieden, die bei den bisherigen Lagersystemen dadurch auftraten, daß der krafttragende Isola­ tor nicht nur die hohen Biegekräfte aufnehmen mußte, sondern gleichzeitig auch für die notwendige Vakuumdichtigkeit sorgen mußte. Die Funktionstrennung erleichtert es, die mechanische Lagerung ausschließlich im Hinblick auf das Auffangen der notwendigen Biegekräfte hin auszulegen, ohne daß dabei Rück­ sicht genommen werden muß auf die Vakuumdichtigkeit der Be­ festigungslötungen.

In Weiterbildung der Erfindung soll dabei das Rohr zur Auf­ nahme des eigentlichen Anodenlagersystems über elastische Ausgleichselemente mit der Innenfläche einer Lagerausnehmung des keramischen Hochspannungsisolators verbunden sein, welche die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Rohrs und des meist aus Al₂O₃ bestehenden keramischen Hochspannungsiso­ lators überbrücken.

Diese Ausgleichselemente sollen dabei gemäß einer Weiterbil­ dung der Erfindung etwa den gleichen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten besitzen, wie der keramische Hochspannungsiso­ lator und mit wenigstens einem Teil der Innenfläche der Lagerausnehmung verlötet sein. Durch die Wahl des gleichen Ausdehnungskoeffizienten wird die Lötfläche zur Verbindung der thermischen Ausgleichselemente zur Rohrhalterung mit der Innenfläche des keramischen Hochspannungsisolators nicht zu­ sätzlich durch thermische Dehnungsspannungen belastet. Da­ durch wird die Dauerhaftigkeit dieser Lötverbindungen in ho­ hem Maß gewährleistet.

Die Ausgleichselemente können dabei aus Vakon, beispielsweise Vakon 70 oder Vakon 10 oder dem preiswerteren FeNi42 oder ggf. auch bei Vorsehen geeigneter Lötwerkzeuge aus ferriti­ schem oder martensitischem Stahl oder aus Kupfer bestehen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Aus­ gleichselemente zwei einander diametral gegenüberliegende, sich in Achsrichtung des Rotors erstreckende Bügel mit daran befestigten, insbesondere angeschweißten Buchsen sein, in welche das Rohr zur Aufnahme des Anodenlagersystems ein­ schiebbar ist.

Die Buchsen weisen dabei bevorzugt zwei ebene Außenflächen zum Befestigen der anliegenden Stirnflächen der Bügel auf, was am einfachsten dadurch realisierbar ist, daß die Buchsen einen rechteckigen Außenquerschnitt und einen kreisrunden Innenquerschnitt für das Rohr besitzen. Die Buchsen sind da­ bei bevorzugt nur einseitig mit dem Rohr verschweißt, so daß mit der Dehnung und Verbiegung der dem thermischen Ausgleich dienenden Bügel aufgrund der Ausdehnungsunterschiede des Rohrs und des keramischen Hochspannungsisolators die eine Buchse entsprechend gleitend auf dem Rohr sich verschieben kann.

Die Buchsen ihrerseits bestehen bevorzugt aus Molybdän oder aber aus ferritischem, martensitischem oder Chrom-Stahl.

Die Lagerausnehmung des keramischen Hochspannungsisolators kann prinzipiell rotationssymmetrisch zur Achse des Lager­ systems ausgebildet sein, doch ist diese zylindrische Form, obgleich sie sehr preiswert herstellbar ist, nicht sehr zweckmäßig, weil in der Metall-Keramik-Lötung der Bereich der reinen Druckspannung sehr klein wäre und der Bereich mit Scherspannung unverhältnismäßig groß wäre (ca. 90% vom Zylinderumfang). Aus diesem Grund soll gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, daß der keramische Hochspannungsisolator eine querschnittlich recht­ eckige, vorzugsweise quadratische Lagerausnehmung aufweist, wobei zwei einander gegenüberliegende Innenflächen mit den Ausgleichselementen, insbesondere den beiden einander gegen­ überliegend angeordneten Bügeln, verbunden sind.

Um dabei Schwierigkeiten mit einer gleichmäßigen Metallisie­ rung der gesamten Innenfläche der Lagerausnehmung des Hoch­ spannungsisolators und daraus resultierende Probleme bei der festen Verlötung zu vermeiden, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Anodenlagersystem, insbe­ sondere also die Ausgleichselemente in der bevorzugten Form der beiden einander gegenüberliegenden Bügel in der Lageraus­ nehmung des keramischen Hochspannungsisolators lediglich in Teilbereichen verlötet ist, in denen bei unbewegter Röhre wegen der einseitigen Lagerung die Verbindung auf Zug bean­ sprucht ist. So ist beispielsweise der obere Bügel von einer der Anode zugekehrten Seite liegenden Teilinnenfläche der Lagerausnehmung des Hochspannungsisolators verlötet, währen der untere Lagerbügel umgekehrt mit einer Teilinnenfläche an der Außenseite des Hochspannungsisolators verlötet ist, die ihrerseits vom als Dichtelement dienenden zusätzlichen Instrumentenbalg übergriffen ist. Um diese Teilverlötung effektiver zu gestalten und um eine exakte Zweiteilung der Kraftaufnahme zu erzielen, kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Innenfläche der Lagerausnehmung durch eine umlaufende Nut in der Mittelebene in zwei Teilflächen unter­ teilt sein, deren Anlageflächenteil an den Ausgleichselemen­ ten wahlweise mit dem einen oder dem anderen verlötet sind. Durch diese Zweiteilung der Kraftaufnahmelagerung im kerami­ schen Hochspannungsisolator erreicht man, daß die Hauptbean­ spruchung, d. h. die Beanspruchung, die durch die ca. 11 g Belastung zustande kommt, nur durch Druckspannungen aufgenom­ men wird, während die demgegenüber wesentlich kleinere, die Lötstellen zwischen den Ausgleichselementen und dem kerami­ schen Hochspannungsisolator belastende Zugspannung bei unbe­ wegter Röhre problemlos über die Lötstellen aufgefangen wer­ den kann. Die Verlötung des keramischen Hochspannungsisola­ tors mit den Ausgleichselementen nur in Teilflächenbereichen, in denen eine Zugbeanspruchung bei ruhender Röhre vorhanden ist, hat den großen Vorteil, daß es dadurch zu geringeren eingefrorenen Wärmespannungen durch den Lötprozeß und beim späteren Ausheizen der Röhre als im Falle einer vollflächigen Verlötung kommt. Dies ist ein ganz erheblicher Vorteil, da umfangreiche Versuche gezeigt haben, daß bei rundum geschlos­ sen verlaufender Metall-Keramik-Innenlötung bei anderen Bau­ teilen bei wiederholten Ausheizzyklen mit Temperaturen < 500°C eine Qualitätsfehlerquote von ca. 0,5 bis ca. 5% ent­ steht.

Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, daß zum elastischen Auffangen von Wärmespannungen beim Ausheizen der Röhre, insbesondere in Fällen, in denen die Buchsen aus einem Stahl bestehen, der einen anderen Ausdehnungskoeffizi­ enten aufweist als das Rohr, entweder die Bügel mehrfach längsgeschlitzt sind und/oder die Buchsen mit axialen Teil­ schnitten versehen sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch das lagerseitige Ende einer Drehanodenröhre mit fliegender Lagerung der nicht ge­ zeigten Drehanode in einem Einschubrohr, das mit dem keramischen Hochspannungsisolator verbunden ist,

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung des kerami­ schen Hochspannungsisolators und des darin über ela­ stische Ausgleichselemente befestigten Rohrs, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Zweiteilung der Kraftaufnahme im keramischen Hochspannungsisolator bei den hohen Querbeschleunigungskräften, wie sie in Com­ putertomographieanlagen auftreten.

Am anodenseitigen Ende der beispielsweise aus Vakon bestehen­ den Vakuumhülle 1 einer ansonsten nicht gezeigten Drehanoden­ röhre ist ein keramischer Hochspannungsisolator 2, vorzugs­ weise aus Al₂O₃ mit angenähert gleichem thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten wie Vakon dicht mit der Vakuumhülle ver­ bunden. In der im gezeigten Ausführungsbeispiel querschnitt­ lich quadratischen Lagerausnehmung L des keramischen Hoch­ spannungsisolator 2 ist über Ausgleichselemente, im vorlie­ genden Fall in Form von Bügeln 3 und 4 mit endseitigen Buch­ sen 5 und 6, ein Rohr 7 zum Haltern des eigentlichen Anoden­ lagersystems befestigt. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Halterung des Rohrs über die Bügel 3, 4 und die Buch­ sen 5, 6 lediglich zum Krafttragen und zur elektrischen Hoch­ spannungsisolation dient, während die Vakuumdichtigkeit durch ein gesondertes Vakuumdichtteil erzielt wird, im gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen Instrumentenbalg IB, bei­ spielsweise aus VA-Stahl, der die Lagerausnehmung L übergrei­ fend durch einen Ring 8 einerseits am keramischen Hochspan­ nungsisolator 2 angelötet und durch eine Ringwand 9 mit dem Rohr 7 bei 10 verschweißt ist. Diese Funktionstrennung hat zur Folge, daß die Metall-Keramik-Lötung, die der Aufnahme der hauptsächlichen Druckbeanspruchung dient, nicht vakuum­ dicht zu sein braucht und demzufolge die Lötung Fehler oder Lunker aufweisen kann, ohne daß die Funktion beeinträchtigt wird.

Die Innenfläche der Lagerausnehmung L ist durch eine in der Mitte umlaufende Nut 11 in Teilfächen unterteilt, wobei für die vorliegende Konstruktion speziell die vordere obere Teilfläche F1 und die hintere untere Teilfläche F2 von Inter­ esse sind. An diesen beiden Teilflächen treten nämlich bei nicht bewegter Drehanodenröhre - unabhängig davon ob die Anode selbst rotiert oder nicht - aufgrund des einseitig nach unten ziehenden Gewichts der in Abstand von der Lagerstelle gemäß Fig. 1 mit ihrem Kopfteil angeordneten Drehanode Zugs­ pannungen auf, die von einer entsprechenden Verlötung 12 der metallisierten Flächen F1 und F2 mit den anliegenden Bügeln 3 und 4 aufgefangen werden muß. Bei einer Gantryrotation in Fliehkraftrichtung (in Fig. 1 mit 14 bezeichnet) tritt eine sehr hohe Beschleunigung von bis zu 11 g auf, die dazu führt, daß beim Einsatz in einer Computertomographieanlage die Lötungen 12 und 13 der Flächen F1 und F2 ausschließlich auf Druck beansprucht sind, wie dies in der schematisierten Schnittzeichnung gemäß Fig. 3 dargestellt ist. Die Querbe­ schleunigung in Richtung des Pfeils 14 durch die rotierende Gantry von 11 g führt unter der Annahme eines Biegemoments von 99 Nm zu den eingezeichneten Druckkräften im Bereich der verlöteten Teilflächen F1 und F2. Die unterschiedliche Größe ergibt sich daraus, daß ja den Kräften aufgrund der Querbe­ schleunigung durch die rotierende Gantry die Gewichtkraft der einseitig gelagerten Drehanode überlagert ist. Das hier ange­ nommene Biegemoment von 99 Nm ergibt sich durch beispielhaft gewählte Wert von ca. 5 kg für das Anodengewicht, das in Ab­ stand von 175 mm zur Innenkante des Isolators wirken soll und durch die bereits mehrfach angesprochene Querbeschleunigung von 11 g (1 g = 9,81 m/s²) aufgrund der Rotation der Gantry um den zu untersuchenden Patienten.

Wie man insbesondere aus Fig. 2 erkennen kann, sind die Buch­ sen 5 und 6 zum Einschieben des Rohrs 7 innen kreiszylin­ drisch ausgebildet, während sie außen einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die querschnittlich quadratische Lagerausnehmung L des keramischen Hochspannungsisolators 2 ist in den Ecken mit Entlastungskerben 15 versehen.

Der Kraftschluß des Rohrs 7 in den als Rohrhaltern dienenden Bügeln 3, 4 mit den Buchsen 5, 6 ist in der linken Hälfte in Fig. 1 formschlüssig und auf der rechten Hälfte durch die Schweißung 16 auch materialschlüssig.

Der angesprochene Ring 8 zur vakuumdichten Verbindung des Instrumentenbalgs 7 mit dem keramischen Hochspannungsisolator 2 kann durch eine Schweißlippe aus einer Ausgleichslegierung oder aus Kupfer oder einem Verbund aus Kupfer und Edelstahl bestehen.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbei­ spiel beschränkt. Neben einer anderen Ausbildung der Lager­ ausnehmung des keramischen Hochspannungsisolators 2 und ande­ ren Ausgleichselementen zur Befestigung des Rohrs 7 und der Möglichkeit, das Vakuumdichtteil anders als durch den gezeig­ ten Instrumentenbalg zu realisieren, könnten auch zusätzlich eine oder mehrere Längsschlitzungen der Bügel 3, 4 und axiale Teilschnitte der Buchsen 5, 6 vorgesehen sein, um Wärmespan­ nungen beim Ausheizen elastisch auffangen zu können.

Claims (16)

1. Drehanodenröhre mit fliegender Lagerung der Drehanode, bei der das Anodenlagersystem von einem Hochspannungsisolator aus keramischem Werkstoff gehaltert ist, insbesondere für Computertomographieanlagen, wobei der keramische Hochspannungsisolator eine Isolier- und Tragfunktion aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß zusätz­ lich zu dem keramischen Hochspannungsisolator (2) ein gesondertes, mit dem keramischen Hochspannungsisolator (2) und dem Lagersystem dicht verbundenes Vakuumdichtteil vorgesehen ist.

2. Drehanodenröhre nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Vakuumdichtteil ein, vor­ zugsweise aus VA-Stahl bestehender, Instrumentenbalg (IB) ist.

3. Drehanodenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im tragenden keramischen Hochspannungsisolator (2) ein am Außenende geschlossenes Rohr (10) zur Aufnahme des Anodenlagersystems angeordnet ist, und daß der Instrumentenbalg (IB) am keramischen Hochspannungs­ isolator (2) und am Rohr (7) angelötet bzw. angeschweißt ist.

4. Drehanodenröhre nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Rohr (7) über elastische Ausgleichselemente mit der Lagerausnehmung (L) des kerami­ schen Hochspannungsisolators (2) verbunden ist.

5. Drehanodenröhre nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgleichselemente etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen wie der keramische Hochspannungsisolator (2) und mit wenig­ stens einer Teilinnenfläche der Lagerausnehmung verlötet sind.

6. Drehanodenröhre nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichselemente aus Vakon, FeNi42, Stahl oder Kupfer bestehen.

7. Drehanodenröhre nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ gleichselemente zwei einander diametral gegenüberliegende, sich in Achsrichtung des Rohres (7) erstreckende Bügel (3, 4) mit daran befestigten, insbesondere angeschweißten, Buchsen (5, 6) sind, in welche das Rohr (7) einschiebbar ist.

8. Drehanodenröhre nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Buchsen (5, 6) zwei ebene Außenflächen zum Befestigen der anliegenden Stirnflächen der Bügel (3, 4) aufweisen.

9. Drehanodenröhre nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Buchsen (5, 6) einen rechteckigen Außenquerschnitt aufweisen.

10. Drehanodenröhre nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens eine der Buchsen (6) mit dem Rohr (7) verschweißt ist.

11. Drehanodenröhre nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Buch­ sen aus Molybdän, ferritischem, martensitischem oder Chrom- Stahl bestehen.

12. Drehanodenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der kera­ mische Hochspannungsisolator (2) eine querschnittlich recht­ eckige, vorzugsweise quadratische Lagerausnehmung (L) auf­ weist, wobei zwei einander gegenüberliegende Innenflächen (F1, F2) mit den Ausgleichselementen verbunden sind.

13. Drehanodenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagersystem in der Lagerausnehmung (L) des keramischen Hoch­ spannungsisolators (2) lediglich in Teilflächenbereichen (F1, F2) verlötet ist, in denen bei unbewegter Röhre wegen der einseitigen Lagerung die Verbindung auf Zug beansprucht ist.

14. Drehanodenröhre nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Lagerausnehmung (L) durch eine umlaufende Nut (11) in der Mittelebene in zwei Teilflächen unterteilt ist, deren Anlage­ flächenteile (F1, F2) wechselweise mit einem der Bügel (3, 4) verlötet sind.

15. Drehanodenröhre nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bügel (3, 4), vorzugsweise mehrfach, längsgeschlitzt sind.

16. Drehanodenröhre nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Buch­ sen (5, 6) mit axialen Teilschnitten versehen sind.