DE2262757C3 - RöntgenrShrendrehanodenlagerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhrendrehanodenlagerung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Lagerungen sind z. B. bekannt aus der US-PS 25 49 614.

Die aus der obengenannten US-PS und auch aus den US-PS 22 13 112 und 23 35 224 bekannten Lagerungen -to der Drehanoden von Röntgenröhren bestehen aus Kugellagern. Bei diesen ist es nachteilig, daß die Anfachung der Rotation eine gewisse Zeit dauert, d. h., daß erst eine Anlaßzeit abgewartet werden muß. Sie beträgt in der Regel einige Sekunden. Man hat aufwendige Anlaßgeräte vorgesehen, um die Wartezeit zu verkürzen.

Andererseits ist es wegen des bekannten, die Lebensdauer der meisten Röhren bestimmenden Verschleißes der Lager üblich, die Anode nicht länger als für die speziellen Aufnahmesituationen nötig laufen zu lassen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn man von der bei extrem schnellem Anodenlauf möglichen Erhöhung der Belastung der Anode Gebrauch machen will. Für derartige Anordnungen hat man vielmehr zusätzlich noch Bremseinrichtungen vorgesehen. So sollen einerseits die mit dem Quadrat der Tourenzahl zunehmende verschleißende Lagerreibung und andererseits die ebenfalls mit der Umlaufgeschwindigkeit zunehmend störende Geräuschentwicklung auf das unvermeidbare w Mindestmaß beschränkt werden. In der US-PS 31 12 962 und in »Philips Technische Rundschau« 22 (1960/61) Nr. 7, Seiten 252 bis 259 sind magnetische Lagersysteme beschrieben. Die Lager sollen aber weder im Vakuum von Elektronenröhren allgemein noch in Röntgenröhren speziell betrieben werden. Außerdem sind dabei sowohl an der Achse als auch außen Permanentmagneten verwendet, die bei den in Röntgenröhren auftretende Temperaturen in ihrer Wirksamkeit mindestens beeinträchtigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Drebanodenlagerung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Möglichkeit zu eröffnen, die Anode zur Erhöhung der Belastbarkeit schneller zu drehen und Spontanaufnahmen machen zu können, ohne auf störende oder schädliche Erscheinungen, wir z. B. Anlaufzeit, Geräusche und Verschleiß der Lager, Rücksicht nehmen zu müssen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß· durch die im Kennzeichen dieses Anspruchs angegebene Maßnahme gelöst

Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Drehsystems, bei dem der Achse weichmagnetisches Material und diesem eine tragende Außenwicklung zugeordnet ist, sind temperaturempfindliche Permanentmagneten als Lagerelemente vermieden. Gegenüber bekannten Röhren wird schneller und lang andauernder Lauf der Drehanode etwa über ganze Arbeitsperioden, wie z. B. einen ganzen Arbeitstag oder länger, ohne Verschleiß der Lager möglich. So sind auch in unvorhersehbaren Momenten verzögerungsfreie Aufnahmen möglich, die für die Diagnose von großer Wichtigkeit sein können. Es ist nicht mehr notwendig, daß erst eine Anlaufzeit der Anode abgewartet werden muß. Überdies braucht nur einmal im Verlauf einer Arbeitsperiode die Anlaufenergie für die Drehanode aufgewandt zu werden und man ist nicht mehr gezwungen, sehr schnell laufende Anoden zum Hintanhalten von Verschleiß und Geräusch abzubremsen. Zusätzlich ist es möglich, die Anoden schneller laufen zu lassen, so daß ohne Rücksicht auf Lagerverschleiß die Drehzahl der Belastung angepaßt werden kann. Durch die Magnetlagerung ist jede Berührung von bewegten Teilen mit unbewegten Teilen vermieden. Lediglich eine elektrische Verbindung, d. h. ein Kontakt über die der Röntgenröhrenstrom fließt, ist nötig.

In einer Ausbildung der Erfindung ist ein Aufbau möglich, der die Benutzung von Elektromagneten zuläßt ohne daß dafür eine Berührung drehender und feststehender Teile (Schleiferkontakte) erforderlich ist Ein Lager besteht dabei aus zwei koaxial angeordneten rohrförmigen Stapeln, die aus abwechselnd gegensinnig magnetisierten aufeinander geschichteten Elektromagnet-Ringen bestehen. Der eine Stapel — bestehend aus den sog. Innen-Magneten — hat kleinen Durchmesser und ist innerhalb des anderen Stapels angeordnet, der die sog. Außen-Magneten mit großem Durchmesser umfaßt

Zur Magnetfelderzeugung werden die ringförmigen Feldwicklungen aller Innen- und aller Außen-Magnete vor. je einem Gleichstrom durchflossen. Die abwechselnd gegensinnige Richtung der Magnetisierung, die bereits in der obengenannten »Philips Technische Rundschau« als erforderlich erkannt wurde, wird dadurch erreicht, daß die Ringspulen in entgegengesetztem Sinn gewickelt sind.

Zur Ausbildung räumlich präziser Magnet-Pole sind den Magnet-Ringen zuzuordnende magnetisch leitende, einander zugewandte Ansätze geeignet, von denen diejenigen der innerhalb des Rotors angebrachten Magneten nach außen gerichtete Ansätze, sog. Joche, sind und diejenigen der Außen-Magnete nach innen gerichtete Joche. In dem zylindrischen Raum zwischen den Stapeln der Innen-Magnete und der Außen-Magnete befindet sich berührungsfrei der Rotor. Er besteht zum großen Teil aus unmagnetischem Material, wie z. B. Kupfer. In einer Ausbildung der Joch-Anordnung

befinden sich auf seiner Innenseite weichmagnetische Ringe, Sie überlappen die aus dem gleichen Material bestehenden Joche der Innen-Magnete, ohne sie jedoch zu berühren.

Die radiale Breite der Überlappung ist so bemessen, daß sich die Pole der Innen-Magnete — selbst bei einiger Exzentrizität des Rotors gegenüber den ringförmigen Magneten — über die weichmagnetischen Ringe, d. h. die Joche, des Rotors nach außen verlagern. Dadurch können die ringförmigen Außen-Magnete auf den Rotor abstoßende Kräfte ausüben, ohne daß am Rotor selbst Magnete angebracht sind Aus diesem Grund können auch Elektromagnete benutzt werden, ohne daß Schleiferkontakte notwendig sind.

Der Abstand c zwischen den Innenkanten der Joche der Außen-Magnete und den Außenkanten der Jochringe des Rotors sollte im Interesse einer zu möglichst hohen Werten steuerbaren Kraft die der Exzentrizität des Rotors entgegenwirkt, klein sein, und die axiale Höhe eines Magnet-Ringes sollte gemäß einer in obiger Literaturstelle angegebenen Optimierung etwa dreimal so groß sein wie der Abstand c

Der Abstand c ist dann, wenn der Rotor gegenüber den Außen-Magneten Hochspannung annehmen kann, durch die Spannungsfestigkeit dieser Strecke gegeben und relativ groß (10 bis 12 mm). Er kann dagegen klein sein, und ist lediglich durch die Fertigungstoleranzen und durch die Wandstärke des Vakuumkolbens gegeben, wenn die Außen-Magnete in ihrem Potential dem Rotor folgen.

Die im Rotor angebrachten Joch-Ringe überlappen die der Innen-Magnete, ohne sie zu berühren. Dieses Überlappen läßt sich durch Segmentierung der im Rotor angebrachten Joch-Ringe erreichen. Demgemäß besteht der Rotor in dem für die magnetische Lagerung maßgebenden Bereich vorteilhafterweise aus einem unmagnetischen Außenzylinder und einem unmagnetischen Innenzylinder, der in dem Außenzylinder in Haftsitz verdrehungssicher eingepaßt ist und der die ioch-Ringe des Rotors in Nuten befestigt, etwa eingelötet trägt

Der Innenzylinder und die an ihm befestigten Joch-Ringe sind zur Erleichterung der Montage in einer Ebene, die durch die Rotorachse geht in zwei Hälften zerschnitten. Der Innenzylinder samt Joch-Ringen zerfällt so in zwei gleiche Segmente, sobald er aus dem Außenzylinder genommen wird. Diese Segmente kann man nunmehr um die Innen-Magnete legen und dann durch Überstülpen des A'ißenzylinders zusammenhalten.

Die axial gerichteten Anziehungskräfte, welche jeder Innen-Magnet auf jeweils zwei Joch-Ringe des Rotors ausübt heben sich wegen der paarweisen Anordnung der Joch-Ringe des Rotors im Rotor selbst auf, wenn die beiden Luftspalte zwischen dem jeweiligen Innen-Magnet und den beiden zugeordneten Joch-Ringen des Rotors gleich groß sind.

Verschiebt sich der Rotor axial gegenüber den Innen-Magneten auch nur geringfügig, so wird der eine Luftspalt um diese Verschiebung kleiner, der andere um diese Verschiebung größer. Die axial wirkenden Kräfte heben einander im Rotor dann nicht mehr auf. Durch eine derartige, bewußt vorgenommene Verschiebung des Rotors kann man somit eine Kraft-Differenz erreichen. Dadurch kain man die Achse des Rotors stets in Kontakt mit einem Axiallager halten, das am Ende dieser Achse etwa in der form eines Nadellagers oder einer Auflage-Kugel liegt und den Kontakt darstellt der zur Übertragung des Anodenstromes notwendig ist

Vorteilhafterweise bringt man dabei das Axiallager in

einem derartigen Abstand vom Drehanodenteller an, daß sich die Drehanodenachse und die gedachte

s Senkrechte auf der Brennfleckoberfläche im Axiallager schneiden. In diesem Falle bewirken Exzentrizitäten bzw. Kreiselbewegungen der Drehanode in erster

Näherung keine Brennfleckbewegungen, In der obengenannten Anordnung, bei der die

Außen-Magnete auf die von den Innen-Magneten magnetisierten Joche des Rotors und somit auf den Rotor abstoßend wirken, ist eine Rückstellung des Rotors in seine zentrische Lage dadurch gegeben, daß die abstoßende Kraft gerade an den Stellen des Umfanges der Rotor-Joche am größten ist, die den Außen-Magneten aufgrund einer Exzentrizität am nächsten gekommen ist

Eine Dämpfung in der Rückstellung ist durch eine derartige Steuerung der Außen- und Innen-Magnete möglich, daß hohe Rückstellkräfte nur <o lange wirksam sind, bis eine hinreichende differentielle Abnahme der Exzentrizität mit der Zeit -de/dt erreicht ist, so daß der Rotor keine oder nur geringe Regelschwingungen um seine zentrische Lage ausführt

Die Säuerung der Magnete ist demnach ein Signal angewiesen, das eindeutig mit der momentanen Exzentrizität verbunden ist Dieses Signal kann dadurch gewonnen werden, daß zwei Metallzylinder koaxial mit den Außen-Magneten berührungsfrei um den Rotor

jo gelegt werden und daß die Kapazität zwischen diesen beiden Zylindern mehr oder weniger verstimmend auf einen Schwingkreis und somit auf die Oszillations-Amplitude dieses Schwingkreises wirkt Die Kapazität zwischen den genannten beiden Zylindern ist dabei deshalb von der Exzentrizität abhängig, weil die elektrischen Felder von einem der beiden Zylinder zum anderen sich im wesentlichen über den Rotor ausbilden. Mit der Oszillations-Amplitude des Resonanzkreises kann man schließlich über eine elektronische Regelstrecke, deren Charakteristik dem Kreiselverhalten des Rotors angepaßt ist die Ströme in den Feldwicklungen der Magnete steuern.

In der F i g. 1 ist ein Ausfuhrungsbeispiel einer zum erfindungsgemäßen Gebrauch geeigneten Drehanoden-

Röntgenröhre dargestellt

in der F i g. 2 die Draufsicht auf einen Schnitt in der durch 11-11 angedeuteten, quer zur Längachse der Röhre liegenden Ebene.
In der F i g. 1 ist mit 1 ein Vakuumkolben bezeichnet an deessen einem Ende eine Kathodenanordnung 2 und an dessen gegenüberliegendem Ende eine Anodenkombination 3 befestigt ist In vorliegendem Fall ist die eigenVAühe Glühkathode 4 mittels einer Halterung 5 an einer Einstülpung 6 des gläsernen Kolbens 1, wie in der Röhrentechnik üblich, befestigt. Auf der der Einstülpung 6 gegenüberliegenden Seite des Vakuumkolbens 1 ist im Anschlußstutzen 7 eine Halterung 8 angebracht. Sie trägt ringförmige, mit 9 bis 15 bezeichnete Feldwicklungen von Elektromagneten. Die Feldwicklungen 9 bis 15 werden durch Joche 16 bis 23 aus weichmagnetischem Werkstoff sowie durch die weichmagnetische Hakerung 8 zu ringförmigen Innen-Magneten ergänzt.

Als axiale Abstützung ist im Anschlußstutzen 7 ein an einer mehr oder weniger stark vorgespannten Teuerem scheibe in axialer Richtung geringfügig verschiebbares Spitzen-Lager 24 vorgesehen. Über die darin gelagerte Spitze der als Tragspindel ausgebildeten Achse 25 wird die Anodenkombination 3 in axialer Richtung in

elektrischem Kontakt mit dem AnschluBstutzen 7 gehalten.

Am oberen Ende der als Spindel ausgebildeten Achs* 25 ist ein Anodenteller 26 angebracht und in geringem Abstand davon ein Rotor 27. Dieser besteht — wie beschrieben wurde — aus zwei ineinander gesteckten unmagnetischen Hohlzylindern. An seiner Innenseite ist dem Rotor weichmagnetisches Material zugeordnet in der Form von Jochen 28 bis 35 aus weichmagnetischem Eisen. Schon diese weichmagnetischen Joche 28 bis 35 ι ο bewirken eine magnetische Lagerung des Rotors 27 im Feld der Außenwicklungen 36 bis 42. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel ist die Lagerung zusätzlich dadurch verstärkt, daß die Joche 28 bis 35 magnetisch in Eingriff stehen mit den Jochen 16 bis 23 der Elektro-Magneten mit den Feldwicklungen 9 bis 15. Die Joche 28 bis 35 führen also die Felder der Wicklungen 9 bis 15 weiter nach außen. Dadurch wirken den Felder von Wicklungen 36 bis 42, die sich an der Außenseite des Röhrenkolbens 1 befinden und räumlich präzise über die am weichmagnetischen Zylinder 71 befestigten Joch-Ringe 43 bis 50 den Joch-Ringen 28 bis 35 zugeordnet sind, abstoßend auf die Joch-Ringe 28 bis 35 und somit abstoßend auf den Rotor 27.

An seinem dem Drehanodenteller 26 entfernten Endteil ist dem eigentlichen Antriebsrotor 51 des Rotors 27 an der Außenseite des Kolbens 1 in an sich bekannter Weise ein Stator 52 zugeordnet. An der Innenseite des Antriebsrotors 51 befindet sich in Ergänzung des Außenzylinders zum üblichen Aufbau dieses Antriebsteils ein weichmagnetischer Ring 53.

Damit der Abstand zwischen den Jochen 43 bis 50 und dem Vakuumkolben 1 klein gehalten werden kann, ohne daß an den Innenkanten der Joche 43 bis 50 (aufgrund der Hochspannung, die die Anode 3 während einer )5 Röntgenaufnahme gegenüber Erde und somit auch gegenüber den auf Erdpotential liegenden Außen-Magneten führt) unzulässig hohe elektrische Feldstärken auftreten, ist ein Potentialzylinder 72 vorgesehen.

Bei dem dargestellten Beispiel ergibt sich die w Funktion der Erfindung dadurch, daß beim Einschalten eines Stromes, welcher aus Leitungen 73,74 und 75 über ein Schaltgerät 55 dem Netz entnommen und über Leitungen 56 und 57 und über einen Isolationstrafo mit sekundärer Gleichrichtung 76 den Feldwicklungen 9 bis 15 bzw. über Leitungen 77 und 78 den Feldwicklungen 36 bis 42 direkt zugeführt wird, berührungsfreie Halterung der drehenden Teile der Anode 3 in radialer Richtung erhalten wird. Diese beruht auf den Abstoßungskräften der magnetischen Felder, die von den Wicklungen 36 bis 42 ausgehen, auf die durch die Feldwicklungen 9 bis 15 magnetisierten Joche 28 bis 35. Ober die Leitungen 58 und 59 wird die Kapazität zwischen einer Sonde 60 und dem Potentialzylinder 72 vom Gerät 55 gemessen. Diese Kapazität ist ein Maß für die momentane Exzentrizität der Anodenkombination 3 gegenüber den beiden Magnet-Ring-Anordnungen. Das Gerät 55 enthält außerdem Mittel zur Steuerung der Ströme in den Leitungen 56 und 57 bzw. 77 und 78 nach Maßgabe der Exzentrizität und nach Maßgabe der Änderung der Exzentrizität nach der Zeit Die Exzentrizität bzw. die Änderung der Exzentrizität nach der Zeit bewirken, daß das Gerät 55 solche Ströme durch die Leitungen 56 und 57 bzw. 77 und 78 und somit durch die Feldwicklungen der Magnete innerhalb und außerhalb des Rotors fließen läßt, daß Kräfte auf den Rotor wirken, die der Exzentrizität entgegengerichtet sind, jedoch nur so lange der Exzentrizität entgegenwirken, daß der Rotor nicht Regelschwingungen um seine zentrische Lage ausführt.

Die Erzeugung von Röntgenstrahlen erfolgt in an sich bekannter Weise dadurch, daß über die Leitungen 61 und 62 der Glühkathode 4 einerseits der zur Aussendung von Elektronen erforderliche Strom zugeführt wird und daß andererseits zwischen Glühkathode 4 und Leitung 63, die mit der Drehanode 26 ^:rt galvanischem Kontakt steht, eine mittels eines am Netz 73, 74 und 75 liegenden Generators 64 erzeugte Hochspannung 65 von einigen 10⁵V gelegt wird, so daß die'von der Glühkathode emittienen Elektronen auf die mittels des Stators 52, dem vom Generator 64 Drehstrom oder zweiphasiger Wechselstrom 56 über die Leitungen 67, 68, 69 zugeführt wird, in Rotation versetzte Anode 26 zu beschleunigt werden und ihre kinetische Energie dort in bekannter Weise in Rö'-penstrahlen umsetzen, die in dem kegelförmigen Bündel 70 die Röhre verlassen.

Aus der F i g. 2 ist die Anordnung der Feldwicklungen 13 und 40 sichtbar, ebenso wie diejenige der ineinandergreifenden Joche 20 und 32 sowie die des Joches 47, das mit dem Joch 32 in einer Ebene liegt. Zwischen Joch 32 und Joch 47 erkennt man die Wand des Vakuumkolbens 1. Die äußeren Joch Ringe 43 bis 50 sind an dem magnetisch weichen Zylinder 71 befestigt, die inneren Joch-Ringe 16 bis 23 an der weichmagnetischen Halterung 8. Im Zentrum der hohlen Halterung 8 bewegt sich die spindelförmige Achse 25.

Die Länge der Achse 25 (F i g. 1) ist so gewählt, daß sich eine gedachte Senkrechte 101 auf der Brennfleckbahn 102 der Anode 26 im Berührungspunkt 103 des Spitzenlagers 24 schneidet Dies kann der Stützpunkt der Spitze 103 der als Spindel ausgebildeten Achse 25 sein. Eine gleichwertige axiale Lagerung stellt auch eine Kugel dar, die zwischen dem am Stumpf der ebenen bzw. konkav gefoimten Ende der Achse 25 und dem Gegenlager 24, d. h. der Innenwand des Anschlußstutzens 7, liegt

Der Antriebsmotor 51 kann, außer wie in Fig. 1 dargestellt, am tellerfernen Ende des Rotors 27 auch an seinem tellernahen Ende oder in seiner Mitte angebracht sein. Bei tellernaher Anordnung kann der Abstand des Tellers vor der eigentlichen Lagerung größer gemacht werden. Dadurch wird auch der Übertragungsweg der vom Teller 26 abgegebenen Wärme auf die Lagerung größer und ihre thermische Beanspruchung herabgesetzt Dies ist insbesondere von Bedeutung bei hochbelasteten Drehanoden. Bei der Anordnung des Antriebsrotors 51 in der Mitte des Rotors 27 wird eine Verteilung der magnetischen Lagerung auf beide Seiten des Antriebs erreicht Dies bildet eine Angleichung an die Halterung der Drehachse, die sich bei der Verwendung von Kugellagern eingeführt und bewährt hat

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprache;

   1, Röntgenröhrendrehanodenlagerung, bei der die Anode (3) 'zusammen mit einem aus einem weichmagnetischen Ring (53) zum Antrieb und einem elektrisch gut leitfähigen Teil (51) bestehenden Antriebsrotor (51,53) auf einer Achse (25) sitzt, bei der dem Antriebsrotor an der Außenwand des Röhrenkolbens ein elektromagnetischer Antriebsstator (52) zugeordnet ist, dadurch gekenn- zeichnet,daß die Lagerung der Anode (3) mittels eines berührungsfrei axial und radial halternden Magnetlagers erfolgt, indem dem Antriebsrotor (51) zusätzlich weichmagnetisches Material (28 bis 35) außerhalb des vom Antriebsstator (52) umschlössenen Teils der Anode (3) zugeordnet ist, und daß an der Außenwand des Röhrenkolbens mindestens eine tragende Außenmagnetwicklung (36 bis 42) angeordnet ist, die das zusätzliche weichmagnetische Material umschließt und die Anode trägt.
2. 2. Röntgenröhrendrehanodeniagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Rotor (27) zugeordnete weichmagnetische Material in der Form von Jochen (28 bis 35) angebracht ist, die magnetisch in Eingriff stehen mit aufeinander gestapelten, abwechselnd entgegengesetzt voneinander magetisierten ringförmigen Elektromagneten, von denen ein Stapel (9 bis 15 mit 16 bis 23) innerhalb und einer (36 bis 42 mit 43 bis 50) außerhalb des Rotors fest angeordnet ist