DE2363999C3 - Röntgenröhrenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Röntgenröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Eine derartige Röntgenröhre ist aus der deutschen Auslegeschrift 1094 572 bekannt.

Bei der bekannten Röntgenröhre dient die Unterteilung der Brennfleckbahn in den einzelnen Ringelementen zugeordnete Bahnabschnitte einer entsprechenden Unterteilung des Strahlenkegels zur Herstellung von Schichtaufnahmen,

Es hat sich aber gezeigt, daß die Übertragung der Wärme von der Brennfleckbahn zu dem Brennfleckträger bei einem mehrteiligen Brennfleckträgeraufbau nicht zufriedenstellend ist und daß eine geringere ίο thermische Belastung der Brennfleckbahn auch nicht allein durch eine Erhöhung der Anodendrehzahl erreicht werden kann. Diese Schwierigkeiten treten auch bei der eingangs kurz beschriebenen, bekannten Röntgenröhre auf.

is Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, daß der Wärmeübergang zwischen den Ringelementen der Brennfleckbahn und dem Anodenteller verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im 2(i Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Es zeigt sich, daß im Betrieb die Zentrifugalkräfte die Ringelemente gegen den Brennfleckträger drükken und aufgrund der dadurch zustande kommenden engen körperlichen Berührung einen guten Wärmeübergang sicherstellen. Dieser Wärmeübergang wird noch durch Erweichung der Ringelemente bei den auftretenden, hohen Temperaturen verbessert.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der anliegenden Unteransprüehe, deren Inhalt hierdurch zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es stellt dar
Fig. leinen Axialschnitt durch eine Röntgenröhre,

Fig. 2 die Zugfestigkeit bestimmter Hochtemperaturmaterialien, die als Brennfleckmaterial und als Wärmesenke verwendbar sind,

Fig. 3 die relativen Festigkeiten der Materialien gemäß Fig. 2 in rotierenden Systemen,

Fig. 4einen vergrößerten Teilquerschniit eines abgewandelten Brennfleckträgers,

Fig. 5 einen vergrößerten Teilquerschnitt einer weiteren, abgewandelten Konstruktion des Brennfleckträgers und der Brennfleckbahn, und

Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine gegenüber Fig. 1 nochmals abgewandelte Ausführungsform einer Röntgenröhre.

Die Röntgenröhrenanordnung nach Fig. 1 enthält ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 10 mit elektrischen Kabelanschlüssen 12 und 14 an einem Ende und einem Strahlungsfenster 16 am entgegengesetzten Ende.

Im Gehäuse 10 befindet sich eine Röntgenröhre vom Drehanodentyp, wobei in einem Röhrenkolben 18 eine Anode 20 und eine Kathode 22 gehaltert sind. Die Kathode 22 weist einen Stützzylinder auf, dessen eines Ende an einem einspringenden Teil des Kolbens abgedichtet ist. Am inneren Ende des Stutzzylinders Mi ist ein Ende eines sich seitlich erstreckenden, abgewinkelten Stützarms festgelegt« an dessen freiem Ende ein Kathodenkopf angeordnet ist. Dieser enthält einen elektronenemittierendcn Glühfaden, an den ein geeignetes elektrisches Potential über Leitungen angefö legt wird, die durch den Stützzylinder aus dem Kolben 18 heraus und zu einem Kabelende im Kabelanschluß 14 geführt sind.

Das entgegengesetzte Ende des Kolbens 18 trägt

die Anode 20, die einen Brennfleckträger 34 enthält, der an einem Ende einer Welle 36 befestigt ist. Diese ragt von einem Rotor 38 weg, der in einem Hals 40 des Kolbens drehbar gelagert ist. Der Rotor trägt einen Mantel 42, und die Anordnung kann mittels eines den Hals 40 umgebenden Stator 44 in rasche Umdrehung versetzt werden.

Die Röhre ist im Gehäuse 10 beispielsweise durch Anschrauben an eine Anzahl von Stützangüssen, Ansätzen oder ähnlichen festen Vorsprüngen befestigt, die sich von den inneren Seitenwänden des Gehäuses 10 nach innen erstrecken. Der Stator 44 wird von einem Haltering 48 gehalten, der seinerseits mittels Schrauben an den Ansätzen festgelegt ist. Ein stoßabsorbierender Ring 47 verhindert unerwünschte Seitenverschiebungen der Röhre innerhalb des Gehäuses.

Das untere Ende des Rotors 38 bzw. seiner Lagerung ist mit dem angrenzenden Ende des Halses 40 verschraubt oder in anderer .Weise verbunden, wobei ein Bauteil 52 über einen Leiter 56 den Rotor 38 und dementsprechend die Anode durch den HiIs 40 mit einem zweiten Kabelende im Kabelanschluß 12 verbindet.

Bedeutsam ist, daß der Brennfleckträger 34 von einem zylindrischen oder kappenartigen Wärmesenkenbauteil mit einer transversal verlaufenden Basis und einer im wesentlichen zylindrischen, aufrechtstehenden Umfangswandung 60 gebildet ist, deren geneigte Innenfläche 62 nach einwärts und aufwärts weist. An oder in der Fläche 62 ist eine ringförmige Brennfleckbahn 64 gebildet, die sich längs des Umfanges der Fläche 62 erstreckt. Die freiliegende Oberfläche der Brennfleckbahn 64 ist dem von der Kathode ausgehenden Elektronenstrahl ausgesetzt. Wie für Röntgenröhren bekannt, rotiert die Anode, so daß die Brennfleckbahn unter dem Fußpunkt des Elektronenstrahls hindurchgeführt wird. Demzufolge werden in dem Brennfleck Röntgenstrahlen erzeugt, die durch die Kolbenwandung austreten.

Das Strahlungsfenster 16 ist von einem Rahmen 65 umgeben und weist eine für Röntgenstrahlen durchlässige Scheibe 66 auf, durch welche die Röntgenstrahlen als begrenztes Röntgenstrahlenbündel aus dem Gehäuse gelangen.

Die ringförmige Brennfleckbahn 64 besteht aus einem geeigneten Material hoher Atomzahl, wobei hitzebeständige Materialien wie Wolfram, Wolfram-Rhenium oder Molybdän besonders geeignet sind.

Der Brennfleckträger herkömmlicher Röntgenröhren umfaßt gewöhnlich die gesamte Anodenscheibe oder stellt eine metallurgisch abgelagerte Beschichtung auf einer geeigneten Unterlage aus Material großer thermischer Kapazität dar. Beispielsweise kann der gesamte Brennfleckträger herkömmlicher Röntgenröhren aus Wolfram hergestellt sein, oder ein Brennfleckträgerkörper aus Wolfram, Graphit, Molybdän oder ähnlichem kann an der Oberfläche eine Brennfleckbahn aus einem abgelagerten oder metallurgisch befestigten Material wie Wolfram oder Wolfram-Rhenium-Legierung tragen,

Es wurde festgestellt, daß massive Brennflcckträger aus Wolfram oder Molybdän keine zufriedenstellenden thermischen Eigenschaften aufweisen und beim Auftreffen von Elektronen in großer Dichte durch die dabei auftretende starke mechanische Beanspruchung zerstört werden. Es wurde ferner festgestellt, daß eine Beschichtung aus Röntgenstrahlen erzeugendem Materialauf der Oberfläche einer derart festen Unterlage sich nicht als zufriedenstellend erweist, wenn eine Röhre mu hoher Leistung betrieben wird, da die metallurgische Bindung zwischen der Beschichtung und der Unterlage nicht den Beanspruchungen aufgrund des thermischen Schocks infolge des auftreffenden Elektronenstrahls standhält. Darüber hinaus ist es schwierig, eine Angleichung der thermischen Ausdehnungen der Beschichtung und geeigneter Unterla-

IQ gematerialien über den vollen Betriebstemperaturbereich zu erzielen, der von Raumtemperatur bis ungefähr 3000° C reichen kann.

Gemäß der hier vorgeschlagenen Konstruktion ist die Brennfleckbahn 64 als vom Wärmesenkenbauteil

is getrenntes Bauteil ausgebildet und aus einer Anzahl einzelner Ringelemente 68 hergestellt. Infolge der erzielten verbesserten Wärmeübergangseigenschaften kann die Brennfleckbahn 64 auf einem Ring ausgebildet sein, der die angrenzende Innenfläche 62 des Wandungsteil 60 bekleidet. Ein solcher Ring kann auf der Fläche 62 befestigt oder vcizugsweise in einer den Ring umcchließenden Nut oder ek^em Kanal der Innenfläche 62 angeordnet sein.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, daß der Aufbau die Zentrifugalkräfte ausnutzt, sra den Wärmeleitungskontakt zwischen dem die Röntgenstrahlen erzeugenden Metall und der Wärmesenke zu verbessern. Wenn daher die Brennfleckbahn mit Elektronen von der Kathode beaufschlagt wird, kann die in der Brennfleckbahn erzeugte Wärme leicht in das Material des Wärmesenkenbauteils größerer Wärmekapazität abgeleitet werden.

Die Wandung 60 des kappenartigen Brennfleckträgers 34 ist relativ dick, um eine geeignete Masse für eine wirkungsvolle Wärmeaufnahme zu schaffen. Die Brennfleckbahti 64 muß jedoch nur eine Breite aufweisen, die der Länge des Brennflecks, der im Auftreffbereich des Elektronenstrahls gebildet wird, entspricht oder ein wenig größer ist. Die scheibc.iartige Basis des Brennfleckträgers 34 ist relativ dünn, um ein Abfließen wesentlicher Wärmemengen von der Wandung 60 zur Welle 36 und zu den zugehörigen, nicht dargestellten Lageranordnungen zu verhindern.

Bei einer Ausführungsform besteht die Brennfleckbahn 64 aus mehreren getrennten Ringelementen, die unmittelbar anetnandergrenzend nebeneinander angeordnet sind. Wie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist, können die Ringelemente von einer

so Anzahl länglicher stift- oder stangenartiger Elemente 68 gebildet sein, die in einem über den gesamten Innenumfang der Wandung 62 geführten Schlitz angeordnet sind. Die Ringelemente 68 erstrecken sich parctielin Richtung der Breite des Schlitzes und wer-

den durch Haltemittel in Gestalt lippenartiger Ansätze 70, 71, die über die Enden der Ringele me nte 68greifen, in ihrer Lage gehalten. Die aktive Oberfläche der Brennfleckbahn liegt daher um einen Abstand hinter der Fläche 62, welcher der Dicke der Ansätze 70, 71 entspricht. Die Elemente 68 sind selbstverständlich vorzugsweise an ihren oberen Enden etwas breiter, um die Neigungsgeometrie auszugleichen.

Es ergibt sich, daß die Zentrifugalkräfte eine enge

Λ5 körperliche Berührung bzw. einen Eingriff der Ringelemente 68 mit dei Wandung 60 des Brennfleckträgers 34 sicherstellen. Mit zunehmenden Drehzahlen nehmen auch die die Ringelemente gegen da< Bauteil

34 drückenden Zentrifugalkräfte entsprechend zu. Auch wenn die Ringclcmente 68 heißer und daher biegsamer bzw. geschmeidiger werden, entsteht entsprechend ein engerer Wärmeleitungskontakt mit der Wärmesenke.

Es ist wichtig, daß der Brennfleckträger aus einem Material besteht, das nicht nur eine größere thermische Speicherfähigkeit pro Gewichtseinheit als das Material der Brennfleckbahn aufweist, sondern das mit einer ausreichenden Festigkeit versehen ist, um einer Deformation bei den hohen vorkommenden Temperaturen zu widerstehen. In Fig. 2 sind die Zugfestigkeiten mehrerer Materialien dargestellt. Daraus ergibt sich, daß Borkarbid eine größere Festigkeit als die anderen dargestellten Materialien aufweist, nämlich bei etwas mehr als K)OO" C eine Zugfestigkeit von etwa 8812■ 10' N/nr und bei 2000° C von etwa 4862 ■ K)' N/rrr. Auch pyrolytisches Graphit ergibt ebenso wie Graphit hervorragende Festigkeitseigenschaften.

Neben der Zugfestigkeit müssen jedoch auch die Wärmeübertragungseigenschaften des ausgewählten Materials betrachtet werden.

So wird bei einer typischen Röntgcnkinematographie-Serienbestrahlung die mittlere Brennfleckbahntemperatur nach .1.1 Sekunden bei etwa 100 um dikkem Wolfram oder pyrolytischem Graphit auf etwa 650^c C erhöht; bei reinem Wolfram auf etwa 900° C. bei 1 mmdickem Wolfram auf Borkarbid auf 1400° C und bei 100 (im dickem Wolfram auf Borkarbid auf etwa ISOO" C.

Bei einer anderen Ausführungsform ist gemäß Fig. 5 ein dreifach zusammengesetzter Brennfleckträgeraufbau dargestellt, bei dem die Anode von einem Basisteil oder einer Scheibe 74 auf der Welle 36 gehalten wird und an ihrem Umfang ein Wandungsteil 60 trägt, das von einem Ring aus Borkarbid oder dergleichen gebildet ist. Die innere ringförmige Oberfläche des Rings 60 ist über ihren Innenumfang hin geschlitzt bzw. genutzt, um einen Ring 76 aus pyrolytischem Graphit darin aufzunehmen. Die freie Oberfläche des Rings 76 wird von einem Abdeckring 7R !in«; rinom RnntopnQlrahlpii prjpiiopnHpn hit^php-

ständigem Material wie Wolfram, Rhenium-Wolfram. Molybdän oder dergleichen abgedeckt. Dicer Aufbau führt zu einer Kombination der vorteilhaften Eigenschaften der einzelnen Materialien. Der Graphitring kann in eine Anzahl von Stücken unterteilt sein, um eine Fchlpassung bei Ausdehnung zu vermeiden und um einen besseren Wärmekontakt sicherzustellen, wenn sich die Zentrifugalkräfte beim Umlauf auswirken. Der AbdecV.ring 78 kann an einem Ende beispielsweise durch einen nach außen gerichteten Flansch 80 gehalten werden, der zwischen die Ringe 76 und 60 hineinreicht.

Die Wärmespeicherfähigkeit des Borkarbids und des Graphits ist im Vergleich zu derjenigen der hitzebeständigen Metalle sehr gut. Sie beträgt das Fünffache des Wertes von Molybdän.

Es wurde festgestellt, daß mit einem Aufbau und mit den Materialien der beschriebenen Art die mittlere Temperatur der Brennfleckbahn auf etwa 1700" C angehoben und die Kühlratc wesentlich vergrößert werden können. Bei 1700° C ist die abgestrahlte Leistung dreimal so groß wie bei 1200° C. s Fin Brennfleck gemäß der Darstellung in Fig. I würde bei 1700° C eine abgestrahlte Leistung von 12 KW aufweisen, was beträchtlich mehr ist als bei herkömmlichen rotierenden Anoden. Aufgrund der besonders großen Festigkeit von Borkarbid oder py-

Ki rolytischem Graphit können größere Drehzahlen gegenüber herkömmlichen rotierenden Anoden angewendet werden. Ein Anstieg um einen Faktor von 2 bis auf 20000 Umdrehungen pro Minute führt zu einem gleichzeitigen Anstieg der verfügbaren Augcnblickslcistung von etwa 40%. wobei immer noch ein großer Sicherheitsfaktor in bezug auf die Festigkeit vorliegt. Das geringe Gewicht dieser Brennfleckbahnmalerialien erleichtert das Heraufsetzen der Drehzahl ohne größere Lagerabnutzung.

2(1 In Fig. 6 ist eine Abwandlung der Erfindung dargestellt, wobei ein Brennfleckträgeraufbau großen Durchmessers auf der Welle 36 befestigt ist. und zwar in derselben Weise, wie es oben im Zusammenhang mit der Anordnung nach Fig. 1 beschrieben wurde.

:< Der Aufbau weist einen umgekehrt kappenartigen Brennfleckträger 34 auf. dessen Basisteil aus einem festen Stützmaterial besteht. Von der Außenkante des Basisteils erstreckt sich ein Ring aus geeignetem Material. v«ie Molybdän, Graphit, Borkarbid oder Wolfen ram. nach unten. Die Innenoberfläche des Rings ist geneigt und in Umfangsrichtung genutet, um die Brennfleckbahn 64 aus hitzebesiändigem und Röntgenstrahlen erzeugendem Material, wie Wolfram. Rhenium-Wolfram oder dergleichen, aufzunehmen.

vs Die Brcnnfleckbahn 64 kann in dem Schlitz oder der Nut oder gegebenenfalls in geeigneter Weise auf der Oberfläche 88 angeordnet sein.

Von der Kathode 22 aus ist der Elektronenstrahl so auf die Brennflcckbahn 64 gerichtet, daß aufgrund

4M der Neigung der Brcnnflcckbahn und der Oberfläche 88 die Röntgenstrahlen durch das Basisteil nach oben und durch die Kolbenwandung aus der Röhre gclanorn Γ)η<; Rasistpil <le<; Rrennfleckträpcraiifhnus besteht hierfür aus einem für Röntgenstrahlen durchlässigen Material. Dieses Material kann auch so gewählt sein, daß es bestimmte Bereiche der von der Brennfleckbahn 64 emittierten Röntgenstrahlen ausfiltert. Der Brennfleckträgeraufbau weist einen großen Durchmesser auf und erzielt eine extrem hohe Wär-

5(1 meabstrahlung. beispielsweise 25 KW bei 1500° C oder 70 KW bei 2000" C. Dies vermindert die Bedeutung der Wärmespcichcrfähigkcit. und die .'öhre kann kontinuierlich betrieben werden. Wenn nicht Steigerungen bezüglich der Augenblicksleisiung erforderlich sind, genügt eine Drehzahl von .1500 Umdrehungen pro Minute zur Erzielung einer Leistung, die vergleichbar mit derjenigen von auf 10000 Umdrehungen pro Minute bemessenen herkömmlichen Röhren ist. Dies wiederum begründet eine geringere

Wi Lagerabnutzung, eine Geräuschverminderung und eine Vereinfachung der Motorstcucrungcn.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Röntgenröhre mit folgenden Merkmalen:

a) Im Röhrenkolben (10) befindet sich eine Drehanode (20), welche einen zylindrischen oder kappenartigen Brennfleckträger (34) aufweist;

b) an der Innenwand des Brennfleckträgers verläuft die dem Elektronenstrahl des Elektronenstrahlerzeugungssystems (22) ausge-

■ setzte Brennfleckbahn (64) über eine Vielzahl einzelner nebeneinanderliegender Ringelemente (68) hinweg, welche durch die Zentrifugalkraft während des Umlaufs der Drehanode (20) gegen die Innenwand des Brennfleckträgers gedrückt werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

c) am Brennfleckträger sind Haltemittel (70, 71) vorgesehen, welche die Ringelemente an der Innenwand des Brennfleckträgers festhalten, und

d) die Ringelemente besitzen eine begrenzte Beweglichkeit auf die Innenwand des Brennfleckträgers hin unter der Wirkung der Zentrifugalkraft.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende weiteren Merkmale:

e) die Innenwand des Brennfleckträgers (34) ist mit einer Ringnut versehen, und

f) die Ringelemente (68) sind in dieser Ringnut unmittelbar aneinandergrenzend nebeneinander angeordnet, woK,i die Haltemittel (70, 71) über die einander gegenüberliegenden Enden der Ringelemeir» greifen.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

g) die Ringelemente (76) sind in einer an der Innenwand des Brennfleckträgers (34) vor» gesehenen Ringnut unmittelbar aneinandergrenzend nebeneinander angeordnet, und

h) über den Ringelementen ist ein Röntgenstrahlen emittierender Abdeckring (78) gelegen.

4. Röntgenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unter dem Abdeckring (78) gelegenen Ringelemente (76) aus pyrolytischem Graphit bestehen.

5. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelemente (68) aus einem Material bestehen, welches niedrigere Wärniespeicherkapazität pro Gewichtseinheit hat als das Material des den Ringelementen benachbarten Wandungsbereichs des Brennfleckträgers (34).

6. Röntgenröhre nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der den Ringelementen benachbarte Wandungsbereich'(60, 60a) des Brennfleckträgers (34) aus Borcarbid besteht.