DE19929655A1 - Röntgenstrahler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahler mit einem ein fluidisches Kühlmittel enthaltenden Gehäuse, in dem eine Drehkolbenröhre drehbar gelagert ist, die ein evakuiertes, eine Kathode und eine Anode enthaltendes Vakuumgehäuse aufweist, wobei die Anode eine Wandung des Vakuumgehäuses bildet und an ihrer Außenseite (22) von dem Kühlmittel beaufschlagt ist. Die Anode (10) weist und an ihrer Außenseite (22) eine die Oberfläche der Außenseite (22) vergrößernde Profilierung, vorzugsweise in Form wenigstens einer von innen nach außen spiralig verlaufenden Nut (29), auf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Röntgenstrahler mit ei­ nem ein fluidisches Kühlmittel enthaltenden Gehäuse, in dem eine Drehkolbenröhre drehbar gelagert ist, die ein evakuier­ tes, eine Kathode und eine Anode enthaltendes Vakuumgehäuse aufweist, wobei die Anode eine Wandung des Vakuumgehäuses bildet und an ihrer Außenseite von dem Kühlmittel beauf­ schlagt ist.

Ein derartiger Röntgenstrahler, dessen Anode durch das Kühl­ mittel direkt gekühlt ist, ist beispielsweise aus der US 4,993,055 bekannt. Derartige Röntgenstrahler gestatten prinzipiell die Realisierung sehr hoher Röntgenleistungen, die in der Praxis jedoch das Problem der Realisierung des notwendigen Wärmeübergangskoeffizienten und der damit verbun­ denen Wärmeübertragung von der Außenseite der Anode auf das Kühlmittel stellen.

Die Wärmeübertragung von der Außenseite der Anode auf das Kühlmittel kann verbessert werden, indem die Drehzahl der Drehkolbenröhre und/oder der mittlere Radius der Anode, der annähernd dem sogenannten Brennbahnradius entspricht, ver­ größert wird. Beide Maßnahmen sind nur in begrenztem Umfang möglich, da einerseits der Vergrößerung des mittleren Radius der Anode durch die maximal zulässige Baugröße des Röntgen­ strahlers Grenzen gesetzt sind und andererseits mit zunehmen­ der Drehzahl der Drehkolbenröhre zumindest im Falle von flüs­ sigen Kühlmitteln die zwischen der Drehkolbenröhre und dem Kühlmittel auftretenden Reibungsverluste rasch inakzeptabel hoch werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röntgenstrah­ ler der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine Ver­ besserung des Wärmeübergangs von der Außenseite der Anode zu dem Kühlmittel ohne Vergrößerung des mittleren Radius der Anode und ohne Steigerung der Drehzahl der Drehkolbenröhre möglich ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Röntgenstrahler mit einem ein fluidisches, d. h. gasförmiges oder flüssiges, Kühlmittel enthaltenden Gehäuse, in dem eine Drehkolbenröhre drehbar gelagert ist, die ein evakuiertes, eine Kathode und eine Anode enthaltendes Vakuumgehäuse auf­ weist, wobei die Anode eine Wandung des Vakuumgehäuse bildet, an ihrer Außenseite von dem Kühlmittel beaufschlagt ist und an ihrer Außenseite eine die Oberfläche der Außenseite ver­ größernde Profilierung aufweist, beispielsweise indem die Außenseite aufgerauht und/oder mit Rippen und/oder gemäß ei­ ner bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit wenigstens einer Nut versehen ist. Infolge einer solchen Vergrößerung der Oberfläche der Außenseite der Anode durch Profilierung kann bei gegebener Drehzahl der Drehkolbenröhre und gegebenem mittleren Durchmesser der Anode mehr Wärme pro Zeiteinheit von der Außenseite der Anode auf das Kühlmittel übertragen werden. Alternativ kann bei gleichbleibender, pro Zeiteinheit von der Außenseite der Anode auf das Kühlmittel übertragener Wärmemenge der mittlere Durchmesser der Anode und/oder die Drehzahl der Drehkolbenröhre reduziert werden.

Aus der DE-PS 71 80 31 und der DE-OS 23 50 807 sind Röntgen­ röhren mit feststehenden Anoden bekannt, deren Anoden als Hohlkörper ausgeführt und an ihrer mit einem Kühlmittel be­ aufschlagten Innenseite mit einer deren Oberfläche ver­ größernden Profilierung versehen sind. Es rotiert also weder die Anode relativ zu dem Kühlmittel noch wird die Außenseite der Anode von dem Kühlmittel beaufschlagt.

Dies gilt auch für eine aus der US 5,056,127 bekannte Rönt­ genröhre mit einer rotierenden Anode. Auch hier ist die Anode als Hohlkörper ausgeführt, dessen von einem Kühlmittel beauf­ schlagte Innenseite mit einer deren Oberfläche vergrößernden Profilierung versehen ist. Das Kühlmittel befindet sich in der rotierenden Anode.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Profilierung derart ausgebildet ist, daß sie eine Förderwirkung für das Kühlmittel entfaltet. In die­ sem Fall übernimmt also die Profilierung eine zusätzliche Funktion, indem sie eine Strömung des Kühlmittels, beispiels­ weise in einem Kühlkreislauf, zumindest begünstigt, so daß eine Pumpe zur Aufrechterhaltung eines solchen Kreislaufes entweder völlig entbehrlich ist oder aber eine verringerte Leistung aufweisen kann, der für die Förderung des Kühlmit­ tels zu treibende Aufwand also verringert ist.

Eine besonders gute Förderwirkung wird gemäß einer Variante der Erfindung erreicht, wenn die Außenseite der Anode einer Querwand des Gehäuses benachbart gegenüberliegend angeordnet ist, welche eine von einer der drehbaren Lagerung der Dreh­ kolbenröhre in dem Gehäuse dienenden Lagerwelle derart durch­ setzte Öffnung aufweist, daß ein Einströmquerschnitt für Kühlmittel verbleibt, das im Bereich des äußeren Umfangs der Anode aus dem Gehäuse strömt. Der eine optimale Förderwirkung ermöglichende Abstand zwischen der Querwand und der Außen­ seite der Anode hängt von der jeweils gewählten Art der Pro­ filierung ab und kann ohne erfinderische Tätigkeit durch ein­ fache Versuche vom Fachmann ermittelt werden.

Eine gute Förderwirkung wird realisiert, wenn die Profilie­ rung der Außenseite der Anode durch wenigstens eine von innen nach außen spiralig verlaufende Nut gebildet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Röntgenstrahler, und

Fig. 2 eine Ansicht der Außenseite der Anode der in dem Röntgenstrahler gemäß Fig. 1 enthaltenen Drehkolben­ röhre.

Der erfindungsgemäße Röntgenstrahler weist ein Gehäuse 1 auf, in dem eine Drehkolbenröhre 2 um die Mittelachse M der Anord­ nung drehbar gelagert ist.

Die Drehkolbenröhre weist ein kolbenartiges, isolierendes Vakuumgehäuse 3 mit einem im wesentlichen zylindrischen Be­ reich 4 und einem daran anschließenden, sich kegelstumpfför­ mig erweiternden Abschnitt 5 auf.

Am freien Ende des zylindrischen Bereichs 4 des Vakuumgehäu­ ses 3 ist als Elektronenemitter eine Kathode 6 angeordnet, die über einen Übertrager 7 mit einer nicht dargestellten Heizstromquelle verbunden und auf über einen stiftförmigen Schleifkontakt an den negativen Pol eines nicht dargestellten Hochspannungsgenerators angeschlossen ist. Der Kathode 6 ist eine Fokussierungselektrode 8 zugeordnet, die zum Einstellen der Querschnittsgröße des mit 9 bezeichneten Elektronen­ strahls dient, der von der Kathode 6 im Betrieb emittiert wird. Die Fokussierungselektrode wird in nicht dargestellter weise auf ein dem jeweils gewünschten Querschnittsgröße des Elektronenstrahls 9 entsprechendes Potential gelegt.

An dem der Kathode 6 gegenüberliegenden Ende des Vakuumgehäu­ ses 3 ist eine Anode 10 vorgesehen, die den Abschluß des im Inneren evakuierten Vakuumgehäuses 3 bildet. Die Anode 10 weist einen Anodenteller 11 auf, der an seiner Innenseite ei­ nen Anodenrand 12 aufweist, der beispielsweise mit Wolfram belegt ist.

Das Vakuumgehäuse 3 mit der Anode 10 ist in bezug auf die Mittelachse M wenigstens im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und an seinen beiden enden mit jeweils einem Wel­ lenstummel 13, 14 versehen. Zur drehbaren Lagerung der Dreh­ kolbenröhre 2, d. h. des Vakuumgehäuses 3 mit Kathode 6 samt Fokussierungselektrode 8 und Anode 10, in dem Gehäuse 1 sind die Wellenstummel 13, 14 aufnehmende Lagerelemente, z. B. Wälzlager 15 und 16, vorgesehen, wobei in Fig. 1 ebenfalls nicht gezeigte Antriebsmittel vorgesehen sind, um die Dreh­ kolbenröhre im Betrieb des Röntgenstrahlers in Rotation ver­ setzen zu können.

Die von der Kathode 6 elektrisch isolierte Anode 10 liegt in der sogenannten einpoligen Betriebsweise auf Massepotential oder bei zweipoligem Betrieb auf einem positiven Potential. Zwischen der Kathode 6 und der Anode 9 stellt sich also in­ folge der zwischen beiden anliegenden Röhrenspannung, die der ein elektrisches Feld ein, welches zur Beschleunigung der von der Kathode 6 in Form des Elektronenstrahl 9 emittierten Elektronen in Richtung auf die Anode 10 dient.

Der von der Kathode 6 ausgehende, dem Röhrenstrom entspre­ chende Elektronenstrahl 9 weist im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels infolge einer wenigstens im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausbildung von Kathode 6 und Fokussie­ rungselektrode 8 einen wenigstens im wesentlichen kreisförmi­ gen Querschnitt auf. Um zu gewährleisten, daß der Elektronen­ strahl 9 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einem defi­ nierten, mit FS bezeichneten Brennfleck auf den kegelstumpf förmigen Anodenrand 12 auftrifft, ist ein Magnetsystem 17 vorgesehen, das an den zylindrischen Bereich 4 des Vakuumge­ häuses 3 umgibt und in dem Gehäuse 1 befestigt ist und dem­ nach im Betrieb nicht mit dem Vakuumgehäuse 3 rotiert. Das Magnetsystem 17 wird von einer Versorgungseinheit 18 mit elektrischen Signalen, versorgt, die zum einen der Erzeugung eines Dipolfeldes und zum anderen der Erzeugung eines diesem überlagerten Quadrupolfeldes dienen.

Das Quadrupolfeld dient zusammen mit der Fokussierungselek­ trode 8 der Fokussierung des Elektronenstrahls 9 und damit zur Realisierung eines Brennflecks definierter Größe. Das Dipolfeld dient dazu, den Elektronenstrahl 9 derart abzulen­ ken, daß der Brennfleck FS an einer definierten Stelle auf den Anodenrand 12 entsteht. Die dem Magnetsystem 17 von der Versorgungseinheit 18 zugeführten elektrischen Signale sind mittels zweier Stellelemente 19 und 20 einstellbar, um die Fokussierung und die Ablenkung des Elektronenstrahls 9 ein­ stellen zu können.

Die von dem Brennfleck FS ausgehende, in Fig. 1 durch einen Pfeil R angedeutete Röntgenstrahlung tritt durch einen Be­ reich verringerter Wandstärke aus dem Vakuumgehäuse 2 und durch ein mit 21 bezeichnetes Strahlenaustrittsfenster aus dem Gehäuse 1 aus.

Die Anode 10 wird an ihrer Außenseite 22 von einem durch Pfeile angedeuteten flüssigen Kühlmittel umströmt, die das Gehäuse 1 zumindest in demjenigen Bereich ausfüllt, in dem sich das Vakuumgehäuse 3 befindet. Das Kühlmittel dient zur Abfuhr der bei der Erzeugung der Röntgenstrahlung entstehen­ den thermischen Energie, die in der Größenordnung von 99% der der Drehkolbenröhre zugeführten elektrischen Energie liegt.

Die Außenseite 22 der Anode 10 liegt unter Bildung eines en­ gen Spalts einer entsprechend geformten Zwischenwand 23 mit geringem Abstand gegenüber, die auf der Innenseite mit einer den Wellenstummel 14 umgebenden Einströmöffnung 24 für Kühl­ mittel versehen ist. Vom Kühlmitteleinlaß 25 des Gehäuses 1 gelangt das mittels eines nicht gezeigten äußeren Wärmetau­ scher gekühlte Kühlmittel in den Rückraum 26 hinter der Zwi­ schenwand 23 und über die Einströmöffnung 24 in den Raum 27 zwischen der Außenseite 22 der Anode 10 und der Zwischenwand 23. In diesem Zwischenraum fließt es radial nach außen zum Kühlmittelauslaß 28. Um den Wärmeübergangskoeffizienten und damit die Wärmeübertragung von der Anode 10 zum Kühlmittel zu erhöhen und damit die Belastbarkeit der Anode 10 zu erhöhen, ist die Außenseite 22 der Anode 10 mit einer ihre Oberfläche vergrößernden Profilierung versehen. Im gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel - statt dessen wäre auch für viele Zwecke eine bloße Aufrauhung der Außenfläche ausreichend - ist die Pro­ filierung als spiralig von innen nach außen verlaufende Nut 29 ausgebildet. Neben der dadurch bewirkten Vergrößerung der Kontaktoberfläche zum Kühlmittel ergibt sich hierbei eine Art Pumpwirkung für das in der spiraligen Nut durch die Zen­ trifugalkräfte nach außen geförderte Kühlmittel, so daß das Umpumpen im Kühlmittelkreislauf verbessert wird. Gegebenen­ falls kann durch diese Maßnahme eine gesonderte Umlaufpumpe im Kühlmittelkreislauf völlig eingespart werden. Anstelle der spiraligen Nut 29 wäre aber auch eine Mehrzahl konzentrischer Nuten denkbar.

Claims (6)

1. Röntgenstrahler mit einem ein fluidisches Kühlmittel ent­ haltenden Gehäuse (1), in dem eine Drehkolbenröhre (2) dreh­ bar gelagert ist, die ein evakuiertes, eine Kathode (6) und eine Anode (10) enthaltendes Vakuumgehäuse (3) aufweist, wo­ bei die Anode (10) eine Wandung des Vakuumgehäuses (3) bil­ det, an ihrer Außenseite (22) von dem Kühlmittel beaufschlagt ist und an ihrer Außenseite (22) eine die Oberfläche der Außenseite (22) vergrößernde Profilierung aufweist.

2. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, bei dem die Profilierung der Außenseite (22) der Anode durch wenigstens eine Nut (29) gebildet ist.

3. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, bei dem die Profilierung derart ausgebildet ist, daß sie eine Förderwirkung für das Kühlmittel entfaltet.

4. Röntgenstrahler nach Anspruch 3, bei dem die Profilierung der Außenseite (22) der Anode (10) durch wenigstens eine von innen nach außen spiralig verlaufenden Nut (29) gebildet ist.

5. Röntgenstrahler nach Anspruch 3, bei dem die Außenseite (22) der Anode (10) einer Querwand (23) des Gehäuses (1) be­ nachbart gegenüberliegend angeordnet ist, welche eine von ei­ ner der drehbaren Lagerung der Drehkolbenröhre (2) in dem Ge­ häuse dienenden Lagerwelle (14) durchsetzte Öffnung (24) auf­ weist, die derart bemessen ist, daß ein Einströmquerschnitt für Kühlmittel verbleibt, das im Bereich des äußeren Umfangs der Anode (10) aus dem Gehäuse (1) strömt.

6. Röntgenstrahler nach Anspruch 5, bei dem die Profilierung der Außenseite der Anode (10) durch wenigstens eine von innen nach außen spiralig verlaufenden Nut (29) gebildet ist.