DE19958115A1

DE19958115A1 - Röntgenröhre mit Kerndrehenode

Info

Publication number: DE19958115A1
Application number: DE19958115A
Authority: DE
Inventors: Lothar Lohmann; Hans Juelicher
Original assignee: Dr Franz Lohmann Inh Hermann Lohmann
Current assignee: LOHMANN X-RAY GMBH, 51373 LEVERKUSEN, DE
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2001-06-13
Also published as: US6453011B1; EP1120808A3; EP1120808A2

Abstract

Übliche Röntgenröhren sind als Fest- oder als Drehanodenröhren ausgebildet. Während jene in der Leistung begrenzt sind, haben diese einen komplizierten Aufbau. Die erfindungsgemäße Röntgenröhre hat eine Anode, die einen festen Mantel und einen darin drehbar gelagerten Kern umfaßt. Sie ist dadurch kompakter als eine Drehanodenröhre und erlaubt höhere Brennfleckbelastungen als eine Festanodenröhre. Die Röhre kann für bildgebende Verfahren bei der medizinischen Diagnostik und bei der Materialprüfung angewendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit statischer Katho de und einem sich im Inneren der Festanode befindenden dreh baren Anodenkern mit vorzugsweise kegelförmiger Bremsstrahl fläche (Target).

Bei Festanodenröntgenröhren nach Stand der Technik (z. B. LOHMANN Typ 160/25 HA) ist die maximal zu erreichende ther mische Belastung des Brennflecks durch das Targetmaterial begrenzt. Besonders bei kleinen Brennflecken und hohem Röhren strom, wie sie für hochauflösende bildgebende Verfahren benö tigt werden, wird das Targetmaterial im Betrieb abgetragen, bevor eine effektive Kühlung des Targets möglich wäre. Durch zunehmendes Abtragen des Targetmaterials verschlechtern sich die Betriebswerte einer solchen üblichen Festanodenröhre was endlich zu ihrem völligen Versagen führen kann. Solche Röhren werden daher vorwiegend für geringe Belastungen des Brenn flecks angewendet, wenn empfindliche Detektoren verfügbar sind oder lange Belichtungszeiten in Kauf genommen werden können.

Dieser Nachteil wird durch die Rotation des Targets unter dem statischen Brennfleck verhindert, indem die thermisch belaste te Fläche ringförmig vergrößert wird. Bei solchen Drehanoden röntgenröhren (z. B. VARIAN Typ A145) wird ein Elektronen strahl deutlich außerhalb der Längsachse der Röhre auf einen Anodenteller mit relativ großem Durchmesser fokussiert. Diese bekannte Bauform ist in der Lage hohe Ströme bei relativ klei nen Brennflecken zu realisieren. Die thermische Belastung wird durch die Wärmekapazität des Anodentellers ausgeglichen, wenn die Röhre im Impulsbetrieb verwendet wird. Die relativ schnel le Rotation des schweren Anodentellers macht eine aufwendige Lagerung notwendig und kann trotzdem unerwünschte Schwingungen verursachen, welche die Abbildungsqualität verschlechtern. Außerdem ist es schwierig, die Anode direkt zu kühlen. Die Drehanodenröntgenröhren sind als Ergebnis relativ komplex, groß und teuer.

Die Aufgabe ist, durch die Erfindung eine Röntgenröhre zu erstellen, die bei guter Abbildungsqualität eine gegenüber der Festanodenröhre höhere Belastung des Brennflecks gestattet und dabei gegenüber der Drehanodenröhre kompakter, einfacher ge baut und dadurch preiswerter ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Röntgenröhre nach dem Hauptanspruch. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unter ansprüchen dargestellt.

Der Mantel kann im wesentlichen die Gestalt eines Hohlzylin ders haben und umschließt den dann ebenfalls im wesentlichen zylindrischen Kern. Außerhalb der Längsachse dieser Anordnung ist in der zur Kathode weisenden Stirnfläche des Mantels eine Öffnung vorgesehen, welche die von der Kathode emittierten und durch das elektrische Feld beschleunigten Elektronen zum Kern durchtreten läßt. Mantelinnenraum und Kern können aber auch andere Formen haben, die zueinander passen und die Drehung des Kerns erlauben, beispielsweise ineinander passenden Kegel stümpfe.

Der Mantel hat in seiner Seitenfläche in Höhe des Targets eine weitere Öffnung, welche die im Target erzeugten Röntgenstrah len nach außen durchtreten läßt.

Bevorzugte Materialien sind für den Mantel Schwermetalle wie Kupfer, Wolfram sowie Legierungen und Verbundmaterial aus diesen Metallen, für den Kern Kupfer und für das Target Wolf ram und Wolfram-Rhenium.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anodenkern nur an den beiden Stirnflächen gelagert. Weiter bevorzugt sind die Lager in der Mittelachse angeordnet und als Spitzenlager aus gebildet. Dabei ruht eine Spitze auf einer vorzugsweise konka ven Oberfläche. Das Material der Spitze und der Oberfläche kann gleich oder verschieden sein und hat bevorzugt eine mitt lere bis hohe Härte. Geeignet sind z. B. Stahl, Diamant, Kera mik, Wolfram.

Vorteilhaft hat das auf der zur Kathode weisenden Stirnfläche des Kerns angebrachte Target die Form eines Kegels, der vor zugsweise einen Öffnungswinkel von 0 bis 45 Grad hat. In die sem Fall kann das Spitzenlager an der Kegelspitze angebracht sein. Das Target kann auch die Form eines flachen Kegelstumpfs oder einer Scheibe haben.

Die Anode ist bevorzugt so ausgelegt, daß Drehzahlen des Kerns zwischen 1 und 1000 U/min möglich sind.

Der Spalt zwischen der Innenfläche des Mantels und dem Kern ist bevorzugt höchstens 1 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,5 mm weit.

Da der Mantelinnenraum mit dem Röhrenvakuum verbunden ist, muß er gegenüber der Atmosphäre verschlossen sein. Hierzu dient bevorzugt eine Wandung, vorzugsweise aus vakuumdichtem nicht magnetischem Material wie Kupfer, Edelstahl oder Beryllium. Die Wandung kann mit einem bekannten Verfahren wie Löten oder Schweißen mit dem Mantel verbunden werden.

Außerhalb des Innenraums der Röhre, bevorzugt auf der Atmo sphärenseite dieser Wand, können Mittel vorgesehen sein, um den drehbar gelagerten Kern im Innern der Röhre anzutreiben. Dies kann ein bewegtes Magnetfeld sein, wenn der Kern magne tisch oder magnetisierbar ist. Ein bewegtes Magnetfeld kann von einem oder mehreren rotierenden Magneten erzeugt werden.

Dieser kann zumindest teilweise als Flügelrad ausgebildet oder in ein solches eingebaut sein und sich in einem von einem Fluid (z. B. Öl, Luft, Wasser) durchströmten Hohlraum befin den, so daß er von dieser Strömung angetrieben wird. Ein ande res bevorzugtes Antriebsmittel ist ein Motor, z. B. ein Elek tromotor.

Beispielsweise können zwei Einsätze, vorzugsweise aus Eisen, in das Ende des rotierenden Kerns, sowie ein Magnetepaar in ein Flügelrad eingebaut sein, welches durch eine dünne Metall wandung von dem Vakuumraum getrennt und in einer eigenen klei nen, zum Generatorgehäuse offenen Kammer geführt wird. Für den Ölstromantrieb wird dabei Isolieröl aus dem Generatorgehäuse mittels Schlauchanschluss in diese Kammer außerhalb des Vaku umraums gepumpt und das Flügelrad angetrieben. Dadurch wird der innere Anodenkern zur Rotation gebracht und gleichzeitig Wärme aus dem Anodenende mit dem Ölstrom abgeführt.

Auch der Mantel kann zur Kühlung von einem Fluid, vorzugsweise Öl, durchströmt werden und dafür mit geeigneten Bohrungen und Zuleitungen versehen sein.

Der den drehbaren Kern umschließende Mantel wirkt auch als Elektronenfangkopf mit Fenster zur Verbesserung der elektri schen Laufruhe. Er ist dann vorzugsweise aus Schwermetall, um unerwünschte Rückstrahlung zu vermeiden. Außerdem läßt das Fenster nur Strahlung in der gewünschten Richtung austreten und dient so dem Strahlenschutz. Ein besonderer Fangkopf, wie ihn z. B. die US 4,309,637 für eine Drehanodenröhre be schreibt, ist nicht erforderlich.

Die Anordnung erlaubt eine sehr präzise Führung des Targets und letztendlich eine scharfe Brennfleckabbildung.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung des rotierenden Kerns in nerhalb des Mantels ist die Möglichkeit, Wärme aus dem Kern mittels Wärmestrahlung in den Mantel abzuleiten. Dies wird durch einen engen Spalt zwischen Kern und Mantel ermöglicht und kann auch durch Mattieren, Schwärzen oder Aufrauhen der sich gegenüberliegenden Flächen noch weiter gefördert werden. Der Mantel selbst kann einfach und direkt mittels eines Fluids, vorzugsweise durch Öl, gekühlt werden.

Weiter erlaubt die Anordnung eine einfache magnetische Koppe lung des rotierenden Anodenkerns mit außerhalb des Vakuumraums eingebauten Magneten, die ihrerseits leicht z. B. durch einen Elektromotor oder durch einen Ölstrom angetrieben werden kön nen. Dazu sind zwei Einsätze, vorzugsweise aus Eisen, in das Ende des rotierenden Kerns, sowie ein oder mehrere Magnete z. B. in ein Flügelrad eingebaut, welches durch eine dünne Me tallwandung von dem Vakuumraum getrennt und in einer eigenen kleinen, zum Generatorgehäuse offenen Kammer geführt wird.

Insgesamt wird durch die streng axiale Anordnung des Anoden kerns mit Anodenfangkopf und dem dadurch ermöglichten 2-Spit zenlager eine schlanke und kostengünstige Konstruktion gewähr leistet.

Die erfindungsgemäße Röhre kann in einen Hochspannungsgenera tor eingebaut werden, ohne daß ein separates Röhrengehäuse notwendig ist. Sie kann für bildgebende Verfahren, beispiels weise bei der medizinischen Diagnostik und bei der Material prüfung angewendet werden.

Als Beispiel der Erfindung wird in nachfolgender Zeichnung der schematische Aufbau des beschriebenen Röhrentyps beispielhaft abgebildet.

In einem Vakuumgehäuse 1 (hier aus Glas) sind auf einer Mit telachse Z Anode 2 und Kathode 3 rotationssymmetrisch fest mit diesem verbunden. In der Kathode befindet sich in geringem Abstand von der Mittelachse Z der oder die Heizwendel(n) 4 um die über die anliegende Hochspannung zu beschleunigenden Elek tronen zu emittieren. Die Elektronen treten durch die Öffnung 14 in den Innenraum des Mantels ein. Die Bremsstrahlung ent steht auf der vorzugsweise kegelförmigen, hochwärmefesten Oberfläche des Wolfram-Targets 5 auf dem Anodenkern 6. Durch ein oberes 7 und eine unteres 8, zusätzlich vorgespanntes Spitzenlager, wird der Anodenkern 6 präzise auf der Mittel achse Z drehbar gelagert. Die Lager bestehen aus Wolframspit zen, die auf konkaven Keramikflächen ruhen. Das untere Gegen lager ruht auf einer dünnen Wandung 9 aus Beryllium, die den Vakuumraum abschließt und gleichzeitig durchlässig ist für die magnetischen Koppelkräfte 10, 11. Das untere Festmagnetepaar 11 sitzt in einem separat gelagerten Flügelrad 12, das hier beispielhaft entweder durch einen Ölstrom A oder durch einen Elektromotor B angetrieben werden kann. Durch diese Ausbildung fungiert dieser Bereich der Vorrichtung als Kühler.

Während des Betriebs wird der Anodenkern 6 in eine Rotations bewegung um die Mittelachse Z versetzt. Da die axiale Länge des Kerns größer als sein Durchmesser ist, sind ggf. auftre tende Unwuchten gering. Die auf der Prallfläche 5 (Target) entstehende Bremsstrahlenergie verläßt als Röntgenstrahlung die Anode 2 durch das Anodenfenster 13. Dabei hält der Anoden mantel 2 unerwünschte Strahlung und freie elektrische Ladungs teilchen zurück. Der überwiegende Teil der Energie verbleibt als Wärme im Target 5 und wird weiter in den Anodenkern 6 abgeleitet und verteilt. Über Wärmestrahlung wird die Energie weiter in den Mantel 2 übertragen und über direkten Wärme austausch in das die Röhre umgebende Medium (vorzugsweise Öl) abgeleitet.

Bezugszeichenliste

1

Vakuumgehäuse

2

Mantel der Anode

3

Kathode

4

Kathodenheizwendel

5

Target

6

Kern der Anode

7

Oberes Spitzenlager

8

Unteres Spitzenlager

9

Wandung

10

Magnetfeld

11

Magnetfeld

12

Flügelrad

13

Strahlenaustrittsfenster

14

Elektroneneintrittsfenster
A Ölstrom
B Elektromotor
Z Mittelachse

Claims

1. Röntgenröhre mit einer feststehenden Kathode (3) und einer Anode, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode einen feststehenden Mantel (2) und einen innerhalb des Mantels drehbar gelagerten Kern (6), der auf der zur Kathode weisenden Stirnfläche ein Target (5) trägt, um faßt, und daß der Mantel in seiner zur Kathode weisenden Stirnfläche außerhalb der Mittelachse und in seiner Sei tenfläche in Höhe des Targets Öffnungen (14, 13) für den Durchtritt der beschleunigten Elektronen und der im Target erzeugten Röntgenstrahlen aufweist.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kern (6) nur an seinen beiden Stirnflächen gelagert ist.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lager (7, 8) in der Mittelachse angeordnet sind.

4. Röntgenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lager (7, 8) Spitzenlager sind.

5. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Target (5) die Form eines Kegels oder Kegelstumpfs oder einer Scheibe hat.

6. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen Kern und Mantelinnenfläche höchstens 1 mm weit ist.

7. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß ihr Innenraum durch eine Wand 9 innerhalb des Mantels (2) verschlossen ist.

8. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß sie außerhalb ihres Innenraums Mittel aufweist, die den Kern (6) an treiben können.

9. Röntgenröhre nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Antriebsmittel ein bewegliches Magnetfeld (10, 11) ist.

10. Röntgenröhre nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das bewegliche Magnetfeld von einem oder mehreren rotierenden Magneten erzeugt wird.

11. Röntgenröhre nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß der Magnet so geformt ist, daß er von strömendem Kühlfluid angetrieben werden kann.

12. Röntgenröhre nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der Magnet zumindest teil weise als Flügelrad geformt oder in ein solches eingebaut ist.

13. Röntgenröhre nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß sie einen Motor zum Antrieb der Magneten umfaßt.

14. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) Bohrungen und Zuleitungen A zum Durchleiten eines Kühl fluids aufweist.