DE2350807A1

DE2350807A1 - Roentgenroehre mit einer fluessigkeitsgekuehlten anode

Info

Publication number: DE2350807A1
Application number: DE19732350807
Authority: DE
Inventors: Willem Hildebrand Diemer; Jan Mulder; Gerrit Zwep
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-10-28
Filing date: 1973-10-10
Publication date: 1974-05-09
Also published as: BE806601A; NL7214642A; CA993492A; IT996888B; JPS5913742Y2; FR2204883B1; JPS5446277U; DE2350807B2; GB1429066A; FR2204883A1; JPS4980985A; US3914633A; DE2350807C3

Description

PHN.6601

Dipl.-Inpj. Hsinr-'n Harfmann deen/s_p.

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"Röntgenröhre mit einer flüssigkeitsgekühlten Anode."

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Anode mit einer Anodenauftreffplatte, die in Gegenüberstellung eine Auftrefffläche für ein darauf zu richtendes Elektronenbündel und eine Kühlfläche zur Wärmeabgabe an ein strömendes Kühlmittel enthält.

In bekannten Röntgenröhren dieser Art zeigt es sich, dass trotz der Kühlung sich die Anodenauftreffplatte doch noch derart erwärmt, dass sie beschädigt wird, wodurch die Lebensdauer der Röhre beeinträchtigt wird. Als eine der Ursachen ist erkannt, dass Gasblasen

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an der Kühlfläche als Folge einer zu wenig turbulenten Flüssigkeitsströmung sich für einige Zeit behaupten. Davon ausgehend sind mehrere Verbesserungen vorgeschlagen, die eine Erhöhung der Turbulenz im Flüssigkeitsstrom bezwecken.

So ist in der U.S.Patentschrift 2.886.723 eine Röntgenröhre beschrieben, in der ein longitudinal zugeführter Flüssigkeitsstrom, durch Beulen auf den begrenzenden Wänden des Stromkanals, zu einer grösseren Turbulenz gezwungen wird. Tn der niederländischen Patentschrift 77^Q2O ist eine Röntgenröhre beschrieben, in der, aus denselben Gründen, in einem transversal zugeführten Flüssigkeitsstrom in der Nähe der Kühlfläche eine rotierende Scheibe angeordnet ist. in der niederländischen Patentschrift 7^278 ist eine Röntgenröhre beschrieben, in der eine gleichfalls transversal arbeitende Einspritzanordnung für das Kühlmittel mit mehreren Kanälen versehen ist. In jeder dieser bekannten Ausführungen ist tatsächlich ein besserer Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der Kühlfläche verwirklicht. Hierdurch wird die Anodenauftreffplatte weniger erwärmt und eine Verlängerung der Lebensdauer erzielt.

Zumal bei Röntgenröhren mit einer verhältnismässig kleinen Brennfleck, dies ist der Querschnitt des Elektronenbündels an der Stelle der Auftreffflache, tritt jedoch noch verhältnismässig schnell eine Beschädigung der Anodenauftreffplatte auf. Es hat sich gezeigt, dass

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diese Beschädigung vorwiegend in einer örtlichen Aufrauhung des Brennflecks im und in seiner Nähe besteht. Neben einer Lebensdauerverkürzung der Röhre hat dies weiter zur Folge, dass die Strahlungsausbeute der Rohre ständig abnimmt.

Die Erfindung bezweckt, eine Röntgenröhre zu schaffen, in der die Auftreffplatte, auch bei verhältnismässig hoher örtlicher Belastung, in viel geringerem Ausmass Beschädigungen ausgesetzt ist. Eine Röntgenröhre der eingangs erwähnten Art ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenauftreffplatte, zwischen der Auftrefffläche und der Kühlfläche gemessen, verhältnismässig dünn ist und an der Stelle der Kühlfläche mit flachen vergrössernden Aussparungen versehen ist und der Durchflussweg sich des Kühlmittels dort wenigstens haaaptsächlich auf diese Ausp-arungen beschränkt.

^v Durch das Anbringen der flächenvergrössernden Struktur in der Anodenauftreffplatte ergibt sich eine Röntgenröhre mit einer bedeutend geringeren Verminderung der Strahlungsausbeute und einer längeren Lebensdauer. Hierzu trägt sowohl der bessere Wärmekontakt zwischen der Anodenauftreffplatte und dem Kühlmittel als auch die grSsse· re Kühlfläche, die grössere Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels an der Stelle der Kühlfläche als auch der kürzere Wärmeleckweg bei« Durch den verbesserten Wärmeaustausch bei der Kühlfläche kann die Anodenauftreffplatte dünner ausgeführt werden, wodurch sie sich noch weniger erwärmt. Da sich die Anodenauftreffplatte im Brennfleck

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weniger eraärat ₉ verursachen die dort auftrsteaden Temperatiürgradienten eine geTlngeTs Aufr&ialiiasig der Oberfläche. In einer bevorzugten Aiisiffihinaisg der* Esr-fisidiang bestellen die Aussparungen aus sieb. aneinander anscMiessenden gleichseitigen Pyramiden,; die bis' au aagefalm? dear- Hälfte der Dicks der AnodenauftrefTpIatte ireicheiSo Sine der Kühlfläche zugewandte flache Beg3."ens*ang eines· Eühlfotichse für das Kühlmittel ist darin, an den Spitzen, der srestlichen Erhöhtingen₀ liier also gleislifalls gleichseitigen P3^T^>amiden_> montiert ₀

Da sich die ünodenaiift^efTplsit'be in einer Röntgenröhre nach der Erfindiiiig auch an der ICffiiXflaOhenseite weniger erwärmt _s tritt dort weniger Kor-rosioa amfO Eine mogliciieri-jeise noch aiafts^stende Eorrogisä ist liiei*¹ jedocli 12E13O schädlicher ₉ da sie die I¹IiIbIs triaiittasr angreifte ¥snn dies auftritt ₉ gellt dis bessere KilliluEig szsioli einiger Zeit verloren₅ und die diinne /^nodenaiai¹ 'creffpjatt© ^ird" bald "völlig unbrauchbar₀ ütai dies ati Teirliinds^rsig ist in einer V or zug s au s führung nach der Erf indiang die KiihX&oivQ der Änodeiianftreffp^att© salt eiaea Eor-rosioKsfestesi Material versehene Auch kann das« in eines gesofil&ssenen Kühlsystem eine Flüssigkeit aiit siaer Verfi^ltnisaaSesig gelingen IC©r-= rQsionsx-.'isT'lning auf das MatG2?ial ds-sr³ ISflili'iacl'ie gS'Ojraucli'c werdenο

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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorzugsausführung einer ,erfindungsgemässen Röntgenröhre.

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines die Anodenauf treffplatte umfassenden Teiles der Röntgenröhre nach Fig.1.

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorzugsausführung eines erfindungsgemässen Anodenaufbaus.

Die in Fig. 1 skizzierte Röntgenröhre enthalt eine Hülle, die aus einem Glasteil 1 und einem Metallteil 2 besteht, die durch einen Verbindungsring 3 vakuumdicht miteinander verbunden sind. Im Metallteil 2 befinden sich Fenster wie k und 5» die in die Tragringe 6 und 7 vakuumdicht eingelassen sind. Das Teil 2 enthält weiter eine Kappe 8, von der eine Anode mit einer Anodenauftreffplatte 10 ein Teil bildet. In der Anode 9 ist eine Kühlbuchse 11 mit einer Zuleitung 12 und einer Ableitung 13 montiert. In der Kühlbuchse 11 befindet sich eine Oeffnung 14, um eine Kuhlflüssigkeit senkrecht auf die Anodenauftreffplatte zu richten. Eine Verschlussplatte 38 ist mit einer in den Kühlraum hineinragenden Führungsbuchse 39 versehen. Die Kühlbuchse 11 ist vorzugsweise unter Zwischenlegung eines oder mehrerer kreisförmiger Ringe 15 um die Führungsbuchse 39 montiert.

Gegenüber der Anodenauftreffplatte 10 befindet sich ein Kathodenkörper 1"6, in dem eine Elektronenquelle, hier durch eine Heizspirale I7 gebildet, montiert ist. Die Glashülle 1 enthält ein Durchführungsstück 18 mit Durchführungen 19 für die Anschlüsse 20 von nichtgezeichneten Strom- oder Spannungsquellen.

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In der Anodenauftreffplatte 10 ist eine Kühlstruktur 21 angeordnet, die in Fig. 2 vergrössert dargestellt ist. Neben der Anode 9, der Kiihlbuchse 11 und der Heizwendel 17 ist in Fig. 2 ein Elektronenbündel 22 und ein Röntgenbündel 23 angegeben. Die Kühlstruktur 21 besteht in dieser Vorzugsausführung aus gleichseitigen Pyramiden 2k, die in die Anodenauftreffplatte eingedrückt sind. Die Erhöhungen 25 bilden dabei auch gleichseitige Pyramiden. Die Auftreffplatte einechliesslich der Pyramiden ist z.B. 2 mm dick, und die Pyramiden sind 1 mm tief. Eine Stirnfläche 26 der Kühlbuchse 11 liegt an den Spitzen der Erhöhungen an. Der Druck der Kühlflüssigkeit sorgt in dieser Vorzugsausführung dafür, dass dies während des Betriebs auch immer so bleibt. Anstelle dieser selbstregulierenden Konstruktion kann die Kühlbuchse z.B. auch unter Federwirkung an der Anodenauftreffplatte montiert sein oder damit ein Ganzes bilden. Im letzteren Falle besteht die Kühlstruktur aus einem Kanalsystem, das zwischen einem Kühlteil und einem Auftreffplattenteil liegt. Das Kanalsystem muss seitwärts gerichteten Durchfluss ermöglichen und mit einer Zufuhröffnung für das Kühlmittel in offener Verbindung stehen. Eine Kühlflüssigkeit, die durch die öffnung lk hineingepresst wird, wird auf diese Weise gezwungen, zwischen den Erhöhungen hindurchzufHessen. Hierdurch ist ein guter Wärmekontakt zwischen der Kühlflüssigkeit und der Auftreffplatte gewährleistet. Beim Gebrauch gleichseitiger Pyramiden in der

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O=¹T =

Kühl struktur \·τ±τά die kühlende Oberfläche der Kühlfläche bei gleicher Queirabmessung der Aufta?effplatte gerade um einen Faktor 2 vergrossertο Dies ergibt in erster Annäherung eine zweimal so grosse Wärmeabgabe an die KUhI= flüssigkeit ο Da die Kühlflüssigkeit durch die siehr oder weniger· im Zickzack laufenden Kanäle zwischen den Pyra-=· raiden gepresst wird, werden dort etwaige Gasblasen rasch mitgeführt ο Durch die grossere Durchflussgeschwindigkeit zufolge der engen Durchflussöffnung wird die Kühlflüssig= keit weniger erwärmt und der Wärmeaustausch vergrossert_o Die Erhöhungen und somit auch die Aussparungen der Kühlstruk= tür können auch eine andere Form haben, 53_OB_O die Form von HaIbkugeIn3 Würfeln₅ Zylindern,, Kegeln usw₀ Die Struktur muss jedoch immer seitwärts gerichteten Durchfluss ermöglichen, da sonst die Kühlbuchse sich nicht an die Struktur montieren lässt und die Strömung der Kühlflüs= sigkeit sicli im wesentlichen auf den dadurch freizulas = senden Raum beschränken, wird» In einer weiteren Vorzugs = ausführung besteht die Kühlstruktur aus einem System von vorzugsweise im Zickzack laufenden Kanälen₅ die z<,Ba durch Ätzung in der Anodenauftreffplatte angebracht sind_o

Wie bereits in der Erfindung bemerkt, hat auch eine geringe Korrosion an der Kühlfläche, im Vergleich zu bekannten Röntgenröhren₂ bald enrsthafte Folgern*, Einer= seits muss das Kühlmittel durch enge und sich somit leicht verstopfende Kanäle fliessen, andererseits können die Spit= zen der Erhöhungen, nach einiger Zeit durch Korrision ver=

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schwinden, wodurch, die Flüssigkeitsströmung sich auf eine dadurch entstandene freie Durchflussöffnung konzentrieren kann. In beiden Fällen ist die gute gleichmässige Kühlung zunichte gemacht. Um dies zu vermeiden, ist eine Vorzugsausführung einer erfindungsgemässen Röntgenröhre mit einem an sich bekannten geschlossenen Kühlsystem ausgerüstet. In diesem System wird die aus der Anode aufgenommene Wärme in einem Wärmeaustauscher abgegeben. In einem derartigen System kann das Kühlmittel in hohem Ausmass frei gewählt werden. Es kann dann z.E. auch mit einem Binärgemisch, wie Wasser mit Alkohol, gearbeitet werden, von denen eine Komponente beim Kühlprozess einen wechselnden Phasenübergang erfährt _o

In einer Weiteren Vorzugsausführung nach der Erfindung ist der Angriff der Kühlstruktur durch eine geeignete Materialwahl der Anod enf=iuf treff plat te an der Stelle der Kühlfläche reduziert. Ein geeignetes Material dafür neben Kupfer ist Silber, wegen der guten Wärmeleitung und durch der grossen Korrosionsbeständigkeit. Die Kühlstruktur kann z.B durch Aufdampfen oder auf galvanischem Wege mit einer Silberschicht überzogen werden.

In einer weiteren Vorzugsausführung nach der Erfindung enthält die Anodenauftreffplatte, wie in Fig. 2 angegeben, eine verhältnismässig dünne Auftreffscheibe 30 und eine auch, als Träger für· die Auf treff scheibe wirksame Kühlscheibe 31. Die Kühlscheibe besteht darin z.B. aus Silber oder Kupfer, während die Auftreffscheibe durch eines der dafür bekannten Metalle, wie Kupfer, Molybdän, Wolfram, Kobalt und ähnliche gebildet wird. Die Auftreffscheibe kann dabei durch Diffusion auf die Kühlsclieibe

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aufgetragen sein, aber auch jede andere Methode kann_t wenn nur 'damit der erforderliche gute Wärmekontakt zwischen den beiden Scheiben verwirklicht wird, angewandt werden»

Für eine weitere Vorzugsausführung sind in Fig. 3 eine Kühlscheibe 33» eine Kühlbuchsenöffnung 3^· und ein linienformiger Auftrefffleck 35 in. ihrer gegenseitigen Orientierung angegeben. Derartige LinienfokusrÖhren werden häufig für Diffraktionsuntersuchungen angewandte Der linienförmige Auftrefffleck oder der Linienfokus ist dabei z.B. 0,4 mm breit und 8 mm lang. Die Kühlscheibe ist jetzt so montiert, dass der Linienfokus einen Winkel von ungefähr 45° mit Geraden 36 bildet, auf denen die Pyramiden angeordnet sind. Eie Kühlbuchsenöffnung 34 befindet sich dem Linienfokus direkt gegenüber, xffodurch das Kühlmittel an der Kühlungsseite an den Linienfokus gespritzt wird, In einer Vorzugsausführung ist die Kühlscheibe mit Gebieten 37 versehen, in denen sich keine Kühlstruktur befindet. Diese geschlossenen Gebiete liegen in der Längsrichtung des Linienfokus, aber befinden sich dort um mindestens einige Male der Breite ausserhalb des Linienfokus. Durch die geschlos= senen Gebiete 37 wird die Flussrichtung des Kühlmittels mehr quer zur Längsrichtung des Linienfokus gezwungen.

Eine erfindungsgemässe Röntgenröhre ist weiter eigens dazu eingerichtet, in einem Röntgenfluoreszenzapparat angewandt zu werden, der mit einer sogenannten Endfensterröhre ausgerüstet ist. In derartigen Röhren befindet sich die Auftreffplatte in geringer Entfernung von einer Endfläche der Hülle. Um schädliche Folgen gestreuter

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Elektronen zu verhindern, ist die Anode dabei gegen die Umgebung positiv. Hierdurch muss die Anodenauftreffplatte mit deionisiertem Wasser gekühlt werden« Dies würde vv'ieder .eine besonders schnelle Korrosion an der Kühlfläche zur Folge haben, Für eine komplizierte Kühlung an dieser Stelle steht in diesen Röhren meist kein Raum zur Verfugung. Das Anwenden einer mit einer Anodenauftreffplatte mit einer erfindungsgemässen Kühlstruktur ausgerüsteten Röntgenröhre bietet hier eine gute Lösung.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE s

1 ,) Röntgenrölire mit einer Anode mit einer Anoden=- auftreffplatte, die in Gegenüberstellung eine Auftrefffläche für ein darauf zu richtendes Elektronenbündel und eine Kühlfläche zur Wärmeabgabe an ein strömendes Mittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche mit flächenvergrossernden Aussparungen versehen ist und sich der Durcliflussweg des Kühlmittels dort wenigstens hauptsächlich auf diese Aussparungen beschränkt«

2. Röntgenröhre nach Anspruch,. 1₉ dadurch gekennzeichnet, dass die flächenvergrössernde Struktur durch ein regelnlässiges Muster von sich aneinander anschliessen-

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den Pyramiden gebildet -wird»

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekenn=· zeichnet_s dass die flächenvergrössernde Struktur durch eine in der Anodenauftreffplatte geätztes Kanalsystem gebildet wird.

4o Röntgenröhre nach Anspruch 1,2 oder J₉ dadurch gekennzeichnet _s dass sie zum Zuführen des Kühl«= mittels eine in Richtung senkrecht zur¹ Kühlfläche bewegbar angeordnete Kühlbuchse enthalte

5 ο " Röntgenröhre nach Anspruch 1₉ 2 oder 3 ο dadurch gekennzeichnet, dass die f lächenvergrössernde Stadiale— tür aus einem in eine Anodenauftreffplatte aufgenommenen Kanalsystem besteht, das mit einer Kühlbuchse zum Zuführen des Kühlmittels ein Ganzes bildet=

6 ο Röntgenröhre nach Anspruch 1, 2₅ 3₉ h oder 5₉ dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenauftreffplatte eine Doppelschicht bildet ₉ die aus einer Auftreffscheibe

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und einer mit einer f la*cheirverg£*8sse:raden Struktur versehenen Kiihlscheibe besteht »

7 ο Röntgenröhre nach Anspruch 5» dadurch gekenn-

zeichnet, dass die EJühlscheibe aus Silber besteht und die Auftreffscheibe höchstens eine Dicke von ungefähr 100 Mikron hat_o

8« Röntgenröhre nach einem der vorangehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronenbündel einen linienförmigen Auftrefffleck bildet, dass eine Kühlanordnung mit einer dem Auftrefffleck gegenüber montierten langgestreckten Ausströmöffnung versehen ist, und dass zwei senkrecht aufeinanderstehende Richtungen, entlang denen die Erhöhungen der Kühlstruktiar montiert sind, einen ΐ/inkel von ungefähr 45° mit der Längsrichtung des Linienfokus bilden„

9» Röntgenröhre nach Anspruch. S, dadurch gekennzeichnet ₉ dass die Kühl struktur und damit der Durchflass- -feg des Kühlmittels In der Längs richtung des Linienfokus unterbrochen ist«

1Oo Röntgenröhre nach einem der vorangehenden AnspruOhe, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem geschlossenen Kühlsystem sum Gebrauch einer Flüssigkeit ausgerüstet ist, die zwecks minimsilBT EorrOsionswirkting dem OberfisLchenmaterial der Kühlfläche angepasst ist» 1 1 ο JRöntgendif fraktioasapparat, _adadurch gekennzeichnet _s dass sum Ersexagesi eines RöntgsnbSndels aus einem langgestreckten Auf'iTef ff leck eine Röntgezirohre nach einem der vorangehenden Ansprüche vorgesehen ist.

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12. Röntgenfluoreszenzapparat, dadurch gekennzeichnet, dass sum Erzeugen eines aus einem Endfenster heraustretenden Röntgenbündels eine Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 10 vorgesehen ist„

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