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Die Erfindung bezieht sich auf 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 von dem Kühlmittel beaufschlagt ist.
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Ein derartiger Röntgenstrahler, dessen Anode durch das Kühlmittel direkt gekühlt ist, ist beispielsweise aus der
US 4,993,055 und der
DE 196 12 698 C1 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 verbundenen Wärmeübertragung von der Außenseite der Anode auf das Kühlmittel stellen.
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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, vergrößert wird. Beide Maßnahmen sind nur in begrenztem Umfang möglich, da einerseits der Vergrößerung des mittleren Radius der Anode durch die maximal zulässige Baugröße des Röntgenstrahlers Grenzen gesetzt sind und andererseits mit zunehmender Drehzahl der Drehkolbenröhre zumindest im Falle von flüssigen Kühlmitteln die zwischen der Drehkolbenröhre und dem Kühlmittel auftretenden Reibungsverluste rasch inakzeptabel hoch werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röntgenstrahler der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine Verbesserung 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.
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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 aufweist, wobei die Anode eine Wandung des Vakuumgehäuse bildet, an ihrer Außenseite von dem Kühlmittel beaufschlagt ist, wobei die Außenseite der Anode unter Bildung eines Spaltes einer feststehenden Querwand des Gehäuses benachbart gegenüberliegend angeordnet ist und wobei eine die Oberfläche der Außenseite vergrößernde Profilierung vorgesehen ist, wobei der Spalt und die Profilierung derart ausgebildet sind, dass sie eine Förderwirkung für das Kühlmittel entfalten.
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Die Außenseite ist beispielsweise aufgerauht und/oder mit Rippen und/oder gemäß einer 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.
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Die Profilierung entfaltet eine Förderwirkung für das Kühlmittel, d. h. sie übernimmt also eine zusätzliche Funktion, indem sie eine Strömung des Kühlmittels, beispielsweise 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 Kühlmittels zu treibende Aufwand also verringert ist. Der eine optimale Förderwirkung ermöglichende Abstand zwischen der Querwand und der Außenseite der Anode hängt von der jeweils gewählten Art der Profilierung ab und kann ohne erfinderische Tätigkeit durch einfache Versuche vom Fachmann ermittelt werden.
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Aus der
DE-PS 71 80 31 und der
DE-OS 23 50 807 sind Röntgenröhren mit feststehenden Anoden bekannt, deren Anoden als Hohlkörper ausgeführt und an ihrer mit einem Kühlmittel beaufschlagten Innenseite mit einer deren Oberfläche vergrößernden Profilierung versehen sind. Es rotiert also weder die Anode relativ zu dem Kühlmittel noch wird die Außenseite der Anode von dem Kühlmittel beaufschlagt.
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Dies gilt auch für die aus der
US 5,056,127 und der
JP 01 059 744 A bekannten Röntgenröhren mit einer rotierenden Anode. Auch hier ist die Anode als Hohlkörper ausgeführt, dessen von einem Kühlmittel beaufschlagte Innenseite mit einer deren Oberfläche vergrößernden Profilierung versehen ist. Das Kühlmittel befindet sich in der rotierenden Anode.
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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 Drehkolbenröhre in dem Gehäuse dienenden Lagerwelle derart durchsetzte Öffnung aufweist, daß ein Einströmquerschnitt für Kühlmittel verbleibt, das im Bereich des äußeren Umfangs der Anode aus dem Gehäuse strömt.
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Eine gute Förderwirkung wird realisiert, wenn die Profilierung der Außenseite der Anode durch wenigstens eine von innen nach außen spiralig verlaufende Nut gebildet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Röntgenstrahler, und
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2 eine Ansicht der Außenseite der Anode der in dem Röntgenstrahler gemäß 1 enthaltenen Drehkolbenröhre.
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Der erfindungsgemäße Röntgenstrahler weist ein Gehäuse 1 auf, in dem eine Drehkolbenröhre 2 um die Mittelachse M der Anordnung drehbar gelagert ist.
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Die Drehkolbenröhre weist ein kolbenartiges, isolierendes Vakuumgehäuse 3 mit einem im wesentlichen zylindrischen Bereich 4 und einem daran anschließenden, sich kegelstumpfförmig erweiternden Abschnitt 5 auf.
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Am freien Ende des zylindrischen Bereichs 4 des Vakuumgehäuses 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 Hochspannunggenerators angeschlossen ist. Der Kathode 6 ist eine Fokussierungselektrode 8 zugeordnet, die zum Einstellen der Querschnittsgröße des mit 9 bezeichneten Elektronenstrahls 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.
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An dem der Kathode 6 gegenüberliegenden Ende des Vakuumgehäuses 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 einen Anodenrand 12 aufweist, der beispielsweise mit Wolfram belegt ist.
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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 Wellenstummel 13, 14 versehen. Zur drehbaren Lagerung der Drehkolbenröhre 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 1 ebenfalls nicht gezeigte Antriebsmittel vorgesehen sind, um die Drehkolbenröhre im Betrieb des Röntgenstrahlers in Rotation versetzen zu können.
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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 infolge 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.
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Der von der Kathode 6 ausgehende, dem Röhrenstrom entsprechende Elektronenstrahl 9 weist im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels infolge einer wenigstens im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausbildung von Kathode 6 und Fokussierungselektrode 8 einen wenigstens im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Um zu gewährleisten, daß der Elektronenstrahl 9 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einem definierten, mit FS bezeichneten Brennfleck auf den kegelstumpfförmigen Anodenrand 12 auftrifft, ist ein Magnetsystem 17 vorgesehen, das an den zylindrischen Bereich 4 des Vakuumgehäuses 3 umgibt und in dem Gehäuse 1 befestigt ist und demnach 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.
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Das Quadrupolfeld dient zusammen mit der Fokussierungselektrode 8 der Fokussierung des Elektronenstrahls 9 und damit zur Realisierung eines Brennflecks definierter Größe. Das Dipolfeld dient dazu, den Elektronenstrahl 9 derart abzulenken, 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 einstellen zu können.
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Die von dem Brennfleck FS ausgehende, in 1 durch einen Pfeil R angedeutete Röntgenstrahlung tritt durch einen Bereich verringerter Wandstärke aus dem Vakuumgehäuse 2 und durch ein mit 21 bezeichnetes Strahlenaustrittsfenster aus dem Gehäuse 1 aus.
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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 entstehenden thermischen Energie, die in der Größenordnung von 99% der der Drehkolbenröhre zugeführten elektrischen Energie liegt.
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Die Außenseite 22 der Anode 10 liegt unter Bildung eines engen Spalts einer entsprechend geformten Zwischenwand 23 mit geringem Abstand gegenüber, die auf der Innenseite mit einer den Wellenstummel 14 umgebenden Einströmöffnung 24 für Kühlmittel versehen ist. Vom Kühlmitteleinlaß 25 des Gehäuses 1 gelangt das mittels eines nicht gezeigten äußeren Wärmetauscher gekühlte Kühlmittel in den Rückraum 26 hinter der Zwischenwand 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 Ausführungsbeispiel – statt dessen wäre auch für viele Zwecke eine bloße Aufrauhung der Außenfläche ausreichend – ist die Profilierung 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 Zentrifugalkräfte nach außen geförderte Kühlmittel, so daß das Umpumpen im Kühlmittelkreislauf verbessert wird. Gegebenenfalls 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.
