DE19956491C2 - Röntgenstrahler mit zwangsgekühlter Drehanode - Google Patents

Abstract

Es wird ein Röntgenstrahler mit rotierbar gelagerter Drehkolbenröhre (2) vorgestellt, bei dem zur Kühlung des Anodentellers (4) ein die Röhre wenigstens teilweise umgebender, feststehender Führungskörper (12) vorgesehen ist. Der Führungskörper (12) ist so ausgebildet, daß ein aus einem Reservoir (15) konzentrisch zur anodenseitigen Lagerachse (17) der Röhre (2) zugeführtes flüssiges Kühlmittel unter Bildung enger Spalte (18, 19) zunächst entlang der Röhrenaußenseite des Anodentellers (4) und entlang des Strahlenaustrittsfensters (20) der Röhre zwangsgeführt und anschließend über wenigstens eine an der Röhre (2) angeordnete und in einen entsprechend ausgebildeten Spalt des Führungskörpers (12) eingreifende Prallscheibe (21) radial abgeleitet wird. Die Hochspannungsteile werden mit einem Isoliergas baufschlagt, welches im Strahlergehäuse (1) physikalisch nicht vom flüssigen Kühlmittel getrennt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Röntgenstrahler mit zwangsgekühlter Drehanode.

Bei Röntgenröhren auf der Basis von Drehkolbenröhren wird die gesamte Röhre mechanisch in schneller Drehung gehalten und der Elektronenstrahl magnetisch auf dem Fokus festgehalten. Bekanntlich ist der Zwischenraum zwischen Röhre und Strahlergehäuse bei solchen Röntgenröhren (DE 197 41 750 A1) mit einem geeigneten flüssigen Kühlmittel, in der Regel Öl, gefüllt. Die Ölfüllung dient einerseits dazu, die an der Anode entste­ hende Wärmemenge abzuführen, und andererseits dazu, die Hochspan­ nungen, positiv an der Anode und negativ an der Kathode, gegen das auf Masse liegende Strahlergehäuse ausreichend zu isolieren. Ein solches geschlossenes System mit globaler Öl­ füllung bringt mehrere Probleme mit sich.

Zum einen ist die aufzuwendende Drehleistung bei den heute geforderten Drehzahlen (< 100 U/sec) wegen der sehr hohen Rei­ bungsverluste erheblich; sie kann, wenn überhaupt, nur durch einen vergleichsweise hohen konstruktiven Aufwand reduziert werden. Zum anderen muß die Ölfüllung sehr sorgfältig in das Röhrengehäuse eingebracht werden, um eine Blasenbildung zu vermeiden. Bei Röhrenbetrieb kann nämlich eine Dampfblasen­ bildung durch Kavitation im Isolationsbereich zu erheblichen Problemen hinsichtlich der Hochspannungsfestigkeit führen. Auch das Ableiten der Verlustwärme von der Drehanode ist problematisch.

Bei dem oben erwähnten bekannten Röntgenstrahler hat man ver­ sucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß man zur Rückküh­ lung des Öls einen externen Wärmetauscher vorgesehen und den Zu- und Ablauf des Öls an Stellen des Strahlergehäuses angeordnet hat, an denen durch die Rotation des Drehkolbens ein Unter- bzw. Überdruck erzeugt wird.

Aus der DE 87 13 042 U1 ist eine Drehkolbenröhre bekannt, de­ ren Anode an ihrer Außenseite mit Rippen versehen ist. Die Außenseite der Anode wird mit einem Kühlmittel, insbesondere einem flüssigen Kühlmittel beaufschlagt.

Alternativ zur Kühlung der Anode mit Öl ist es auch bekannt, die Anode mit einem Kühlgas zu kühlen, wobei der besseren Wärmeableitung wegen die Röhre an ihrer Außenseite mit kreis­ förmigen Rippen versehen werden kann, die gleichsam auch zum Antrieb für die Röhre herangezogen werden können (EP 0 187 020 B1).

In der US 4 418 421 wird im Zusammenhang mit einer eine Festanode aufweisenden Röntgenröhre auf einen Stand der Tech­ nik hingewiesen, der besagt, zur Einsparung von Gewicht an­ stelle einer Ölkühlung der Anode eine Gaskühlung mit Schwe­ felhexafluorid (SF6) vorzusehen. Als nachteilig wird bei sol­ chen Ausführungen jedoch angesehen, daß die insbesondere bei Hochleistungsröhren im Bereich von 70 bis 100 kV entstehende vergleichsweise große Wärme zu einer Reduktion der Isolier­ fähigkeit des Gases führen kann.

In der genannten US-Patentschrift wird noch auf einen weite­ ren Stand der Technik hingewiesen, der besagt, die beiden Medien Öl und Gas physikalisch zu trennen und die Röntgen­ röhre in einem ersten, mit Öl gefüllten Gehäuse unterzubrin­ gen und die Hochspannungsteile in einem zweiten Gehäuse an­ zuordnen, in dem die Gasfüllung eingebracht ist. Die beiden separaten Gehäuse sind zwar elektrisch und mechanisch mitein­ ander verbunden, die beiden Medien sind jedoch voneinander isoliert angeordnet. Eine diesbezügliche Ausführung ist je­ doch vergleichsweise aufwendig.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Auf­ gabe zugrunde, einen Röntgenstrahler der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem sich die Nachteile der bekannten Rönt­ genstrahler vermeiden lassen. Der Röntgenstrahler soll insbe­ sondere eine zuverlässige, von der Drehzahl unabhängige Iso­ lation der Hochspannungsteile sicherstellen und eine gerin­ gere Reibleistung aufweisen, so daß die Röntgenröhre mit höherer Drehzahl und geringerer Reibleistung als bisher be­ trieben werden kann.

Erfindungsgemäß werden die Funktionen der elektrischen Isola­ tion und der Kühlung der Anode getrennt, ohne jedoch die bei­ den dafür vorgesehenen Medien im Röhrengehäuse physikalisch voneinander zu trennen. Das Isoliergas ist im Strahlergehäuse so eingebracht, daß es physikalisch nicht von der Kühlmittel­ führung getrennt ist.

um in etwa die gleiche Isolationsfestigkeit wie mit Öl zu be­ kommen, werden die Hochspannungsteile vorteilhafterweise mit Schwefelhexafluorid (SF6) bei einem Gasdruck von ca. 3 bar beaufschlagt. Das Gas ist unter diesen Bedingungen ein her­ vorragender Isolator und bis zu mehreren hundert Grad Celsius chemisch völlig innert.

Die Kühlmittelkühlung ist als offenes Kühlsystem ausgebildet, wodurch ein Ausdehnungsgefäß entbehrlich und der Austausch von Röhre und Kühlmittel erleichtert ist. Zur Kühlung des thermisch stark belasteten Anodentellers wird vorzugsweise Öl verwendet, welches mit Hilfe einer Förderpumpe aus einem Reservoir konzentrisch zur Lagerachse der Anode zugeführt, dann über enge Spalte zunächst entlang der Röhrenaußenseite des Anodentellers und entlang des Strahlenaustrittsfensters zwangsgeführt, anschließend über ein oder gegebenenfalls meh­ rere an der Röhre angeordnete Prallscheiben radial in das Strahlergehäuse abgeleitet wird. Das Reservoir ist vorteilhafter­ weise innerhalb des Strahlergehäuses angeordnet und als offene Wanne ausgebildet. Die Wanne kann auch, zusammen mit der Förderpumpe, extern des Strahlergehäuses angeordnet und als Wärmetauscher ausgebildet sein.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, daß der Röntgenstrahler nur einen Bruchteil der bei bisheri­ gen Strahlern bekannten Reibleistung aufweist, so daß die Röhre mit vergleichsweise hohen Drehzahlen bei geringeren Reibverlusten betrieben werden kann.

Der im Strahlergehäuse fest angeordnete Führungskörper kann, wenn dies die konstruktiven Gegebenheiten zulassen, mit Vor­ teil zumindest teilweise von Wandungen des Strahlergehäuses selbst gebildet sein. Um das Ableiten des an der Prallscheibe ausspritzenden Kühlmittels zu optimieren, kann der Führungs­ körper mit einem haubenartigen Leitelement, welches vorteil­ hafterweise im Querschnitt halbringförmig ausgebildet ist, versehen sein. Sofern erforderlich, kann die Prallscheibe mehrfach an der Drehkolbenröhre vorhanden sein und lamellen­ artig in den feststehenden Führungskörper eingreifen. Die Prallscheiben bzw. Lamellen bestehen vorteilhafterweise we­ nigstens teilweise aus elastischem Material und liegen mit den elastischen Teilen axial und/oder radial an den entsprechenden Flächen des Führungskörpers an. Damit ist sichergestellt, daß möglichst wenig Kühlmittel in den restlichen Teil des Strahlergehäuses gelangen kann. Die lammellenartig vorgesehe­ nen Prallscheiben müssen lediglich gegen Spritzöl abdichten.

Das Kühlsystem ist mit Vorteil als offenes Kühlsystem ausge­ bildet, wobei als Kühlmittel vorzugsweise Öl eingesetzt wird, welches mit Hilfe einer Pumpe von einer offenen Ölwanne zu­ nächst zwangsgeführt zu den zu kühlenden Teilen geleitet wird und dann ohne Zwangsführung wieder zurück in die Öl­ wanne fließt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführung eines Röntgenstrahlers im Längs­ schnitt, und

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1, vergrößert dargestellt.

Die Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Aus­ führungsform eines Röntgenstrahlers nach der Erfindung im Längsschnitt. In einem allgemein mit 1 bezeichneten Strahler­ gehäuse ist in bekannter Weise eine Drehkolbenröhre 2 rotier­ bar gelagert deren Kathode mit 3 und deren Anodenteller mit 4 bezeichnet ist. Der Antrieb der Drehkolbenröhre 2 erfolgt mittels eines Motors 5, der in einer ersten Gehäusekammer 6 angeordnet ist. Die Gehäusekammer 6 ist im Bereich der An­ triebswelle mittels Dichtring 7 gegen Eindringen von Öl und Gas geschützt.

Mit 8, 9, und 10 sind weitere Gehäusekammern bezeichnet, die gegeneinander nicht abgedichtet, also zueinander offen sind. Hierzu können in den Gehäusewandungen entsprechende Öffnungen 11 vorhanden sein.

In der Gehäusekammer 10 befindet sich ein feststehender Füh­ rungskörper 12, der im wesentlichen im Bereich des Anodentel­ lers 4 um die Drehkolbenröhre 2 herum angeordnet ist. Der Führungskörper 12 wird teilweise von Wandungen 13 des Gehäu­ ses 1 bzw. der Gehäusekammer 10 gebildet, ansonsten von einem separaten, ein- oder mehrteiligen Formteil 14. Die Teile sind so gestaltet, daß unterhalb der Röhre eine offene Wanne 15 zur Aufnahme von Kühlöl gebildet wird und ausreichend Raum zur Unterbringung einer Förderpumpe 16 vorhanden ist. Der Füh­ rungskörper 12 ist weiterhin so gestaltet, daß das von der Förderpumpe 16 aus der Wanne 15 geförderte Öl zunächst kon­ zentrisch zur anodenseitigen Lagerachse 17 der Drehkolben­ röhre 2 zugeführt und dann, unter Bildung eines schmalen Spaltes 18 von ca. 1 bis 10 mm entlang der Röhrenaußenseite des Anodentellers 4 und des umlaufenden Strahlenaustrittsfen­ sters 20 zwangsgeführt wird. Unmittelbar danach trifft das Öl auf eine an der Röhre angeordnete erste Prallscheibe 21, die das Öl umlenkt und radial über einen Spalt 19 nach außen in das Gehäuse abführt (siehe auch Fig. 2). Das an der Austritts­ stelle abgeschleuderte Öl wird von einem am Führungskörper 12 angeordneten, haubenartigen, im Querschnitt halbringförmigen Leitelement 22 abgefangen. Das Leitelement 22 dient in erster Linie als Spritzschutz und soll ein unkontrolliertes Besprit­ zen der Gehäusekammer 10 und der benachbarten Kammern verhin­ dern.

Sofern erforderlich kann, wie in der Fig. 1 gezeigt, auf der Drehkolbenröhre eine zweite Prallscheibe 23 vorgesehen sein. Die beiden Prallscheiben 21 und 23 greifen lamellenartig in den Führungskörper 12 ein. Zumindest die freien Enden der Prallscheiben bestehen aus elastischem Material und liegen an korrespondierenden Flächen des Führungskörpers leicht an. Auf diese Weise kann wenig Öl in den restlichen Teil des Strahlergehäuses gelangen. Die Reibungsverluste können da­ durch sehr klein gehalten werden.

Das Öl fließt nach dem Aufprall auf das Leitelement 22 ohne Zwangsführung zurück in die Wanne 15. Im Führungskörper 12 können hierzu an geeigneten Stellen entsprechende Öffnungen oder Ausnehmungen 24 vorhanden sein.

Wie bereits angesprochen, benötigt das nach Art einer Druck­ umlaufschmierung arbeitende Kühlsystem kein Ausdehnungsgefäß wie die bekannten Röhrenkühlsysteme. Das Ölreservoir (Wanne 15) kann relativ klein gehalten werden. Mit Vorteil kann das Reservoir auch als externer Wärmetauscher ausgelegt und so angeordnet sein, daß die ebenfalls extern angeordnete Förder­ pumpe kein Gas ansaugen kann. Ein Ansaugen muß deshalb ver­ mieden werden, um lokale Überhitzungen des Anodentellers und des Strahlenaustrittsfensters und Ölanbackungen zu verhin­ dern.

Die Isolation der Hochspannungteile, die im Einzelnen hier nicht aufgezeigt sind und die vornehmlich in den Gehäusekam­ mern 8 und 9 angeordnet sind, wird im Strahlergehäuse 1 gene­ rell von einer Druckfüllung mit Gas, vorzugsweise mit Schwe­ felhexafluorid (SF6) übernommen. Um mindestens die gleiche Isolationsfähigkeit wie mit Öl zu bekommen, wird der Gasdruck auf ca. 3 bar festgelegt.

Claims (8)

1. Röntgenstrahler mit zwangsgekühlter Drehanode umfassend eine in einem Strahlergehäuse (1) rotierbar gelagerte Dreh­ kolbenröhre (2), deren Anodenteller (4) an der Außenseite der Röhre mittels eines flüssigen Kühlmittels gekühlt wird und deren Hochspannungsteile von einem gasförmigen Medium elek­ trisch isoliert werden, wobei im Strahlergehäuse (1) ein die Drehkolbenröhre (2) im Bereich des Anodentellers (4) wenigs­ tens teilweise umgebender, feststehender Führungskörper (12) angeordnet ist, welcher derart ausgebildet ist, daß das kon­ zentrisch zur anodenseitigen Lagerachse (17) der Röhre (2) aus einem Reservoir (15) zugeführte Kühlmittel unter Bildung enger Spalte (18, 19) zunächst entlang der Röhrenaußenseite des Anodentellers (4) und entlang des Strahlenaustrittsfen­ sters (20) der Röhre zwangsgeführt und anschließend über we­ nigstens eine an der Röhre (2) angeordnete und in einen ent­ sprechend ausgebildeter. Spalt des Führungskörpers (12) ein­ greifende Prallscheibe (21) radial abgeleitet wird, und wobei das Isoliergas im Strahlergehäuse (1) so eingebracht ist, daß es physikalisch nicht von der Führung des flüssigen Kühlmit­ tels getrennt ist.

2. Röntgenstrahler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskörper (12) zumindest teilweise von Wandungen (13) des Strahlergehäuses (1) selbst gebildet ist.

3. Röntgenstrahler nach Patentanspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Füh­ rungskörper (12) im Bereich der Ableitung des Kühlmittels ein haubenartiges Leitelement (22) für das Kühlmittel aufweist.

4. Röntgenstrahler nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (22) halbringförmig ausgebildet ist.

5. Röntgenstrahler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallscheibe (21) mehrfach an der Drehkolbenröhre (2) vorhanden ist.

6. Röntgenstrahler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallscheibe (21) zumindest teilweise aus elastischem Material besteht und mit den elastischen Teilen axial und/oder radial an Flächen des Führungskörpers (12) anliegt.

7. Röntgenstrahler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittelreservoir (15) als offene Wanne ausgebildet und innerhalb des Strahlergehäuses (1) angeordnet ist.

8. Röntgenstrahler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittelreservoir (15) als Wärmetauscher ausgebildet und extern des Strahlergehäuses (1) angeordnet ist.