DE2610660C3

DE2610660C3 - Drehanoden-Röntgenröhre

Info

Publication number: DE2610660C3
Application number: DE2610660A
Authority: DE
Inventors: Harry Ing.(Grad.) 2000 Hamburg Eggelsmann
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1976-03-13
Filing date: 1976-03-13
Publication date: 1979-02-22
Also published as: GB1544604A; JPS5643592B2; DE2610660A1; FR2344119B1; US4115718A; FR2344119A1; JPS52111394A; CA1069969A; DE2610660B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehanoden-Röntgenröhre mit zweiseitig gelagerter Drehanode, wobei die Anodenscheibe an einer Hohlwelle befestigt ist.

Eine derartige Röntgenröhre ist aus der AT-PS 97 865 bekannt. Die Temperatur der beiderseits der Anodenscheibe angeordneten Lager darf einen Wert von etwa 300° nicht überschreiten. Dieser Wert wird aber schon erreicht, wenn nur wenige Watt über die Lager transportiert werden. Da in der Anodenscheibe bei einer Durchleuchtung aber einige 100 W, bei einer Kurzfahrtaufnahme gar 100 kW oder mehr, in Wärme umgesetzt werden, bedeutet das, daß zwischen der Anodenscheibe und den beiderseits der Anodenscheibe angeordneten Lagern ein großer Wärmewiderstand vorhanden sein muß, so daß nur ein sehr kleiner Bruchteil der Wärme über die Lager abgeleitet und der Großteil durch Strahlung von der Anodenscheibe abgeführt wird.

Um diesen hohen Wärmewiderstand zu erreichen, wurde bei der bekannten Drehanoden-Röntgenröhre eine Anodenscheibe verwendet, deren Zentralbohrung einen Durchmesser hat, der wesentlich größer ist als der Außendurchmesser der Hohlwelle. Die Anodenscheibe ist dabei über scheibenförmige Ringe mit großen Wärmewiderstand mit der Hohlwelle verbunden. Es ist klar, daß es bei einer solchen Anordnung schwer ist, die Anodenscheibe genau konzentrisch zur Hohlwelle anzuordnen und so Unwuchten zu vermeiden; dies insbesondere dann, wenn zur Erzielung eines hohen Wärmewiderstandes verhältnismäßig dünne Scheiben vorgesehen sind. Eine derartige Drehanodenkonstruktion hat sich in der Praxis daher bis heute nicht durchsetzen können.

Auch der Vergrößerung des Wärmewiderstandes durch Verringerung des Querschnitts der die Anodenscheibe tragenden Welle sind wegen der geforderten mechanischen Festigkeit Grenzen gesetzt. Als einziger Ausweg bleibt dann nur noch, die Welle so lang zu machen, bis der geforderte Wärmewiderstand erreicht ist. Dadurch muß die die Anodenscheibe tragende Welle aber relativ lang sein, insbesondere auf der vom Rotor abgewandten Seite der Anodenscheibe (der Rotor vergrößert durch Abstrahiung von Wärme das Temperaturgefälle zwischen der Anodenscheibe und den Lagern). Dadurch werden die Abmessungen der Röntgenröhre vergrößert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drehanoden-Röntgenröhre zu schaffen, die einen verhältnismäßig kleinen Abstand zwischen den Lagern und insbesondere der Anodenscheibe und dem vom Rotor abgewandten Lager aufweist, die einen genügend großen Wärmewiderstand zwischen der Anodtnscheibe und den beiden Lagern ermöglicht und die mechanisch genügend stabil ist.

Ausgehend von einer Drehanoden-Röntgenröhre der

3« eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb der Hohlwelle eine Innenwelle konzentrisch angeordnet ist. die mit der Hohlwelle an einer Stelle verbunden ist, derart, daß der Wärmeübergang zwischen der Innenfläche der Hohlwelle und der Oberfläche der Innenwelle hauptsächlich durch Strahlung erfolgt, und daß die Inncnwcllc direkt oder über Zwischenglieder in beiderseits der Anodenscheibe angeordneten Lagern gelagert ist.
Die Innenwelle, die direkt oder über Zwischenglieder

·«' in den Lagern gelagert ist, ist dabei also nicht direkt mit der Anodenscheibe verbunden, sondern über die Hohlwelle. Dadurch wird der Wärmewiderstand zwischen der Anodenscheibe und den Lagern erheblich vergrößert.

Vor allem wird aber auch der Wärmewiderstand zwischen der Anodenscheibe und dem innerhalb der Bohrung der Anodenscheibe befindlichen Teil der Innenwelle wesentlich vergrößert. Der Wärmeübergang erfolgt dabei hauptsächlich durch Strahlung

so zwischen der Innenfläche der Hohlwelle und der Oberfläche der Innenwelle. Die Temperatur in diesem Bereich der Innenwelle ist daher wesentlich niedriger als sie es wäre, wenn die Innenwelle direkt mit der Anodenscheibe verbunden wäre. Die Innenwelle kann daher aus einem Material bestehen, das nicht die gleiche Temperaturfestigkeit haben muß wie das Material der mit der Anodenscheibe direkt verbundenen Teile. Daraus ergibt sich, daß ein Material verwendet werden kann mit einer Wärmeleitfähigkeit, die wesentlich geringer ist als diejenige von Molybdän, aus dem üblicherweise die direkt mit der Anodenscheibe verbundenen Teile bestehen müssen, da Molybdän einer der wenigen Werkstoffe ist, die bei den Temperaturen, die im Bereich der Bohrung in der Anodenscheibe auftreten können (ca. I¹JOO⁰C), noch die nötige Festigkeit haben. Es kommen Stähle mit hohem Chromgchalt in Frage. Die genaue Zusammensetzung der Stahllegierungen liegt noch nicht fest.

Demgemäß sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß die Innenwelle aus Chromstahl besteht; die i lohlwelle kann dabei aus Molybdän bestehen. Die Wärmeleitfähigkeit von Chromstahl beträgt etwa nur Vs der Wärmeleitfähigkeit von Molybdän, d. Il, die Chrcmstahlachse kann bei gleichem Querschnitt um diesen Faktor kürzer sein als eine Molybdänachse, wenn derselbe Wärmewiderstand erzielt werden soll.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß di? Verbindungsstelle zwischen der Hohlwelle und der Innenwetle von dem Rotor der Drehanoden-Röntgenröhre umschlossen wird und daß der Rotor thermisch gut leitend mit der Hohlwelle verbunden ist. Dadurch geht ein erheblicher Teil der Wärme der Anodenscheibe über die Hohlwelle auf den Rotor über, von dem sie, i"> insbesondere wenn der Rotor — in an sich üblicher Weise — zylinderförmig ausgebildet ist und aus einem Metall mit hoher thermischer Emissionsfähigkeit besteht, zum größten Teil abgestrahlt wird. Dadurch kann erreicht werden, daß nur ein geringer Teil der Wärme, die der Anode zugeführt wird, die Innenwelle erreicht

Wie bereits erwähnt, besteht eine weitgehende Unabhängigkeit in der Wahl des Materials der Innenwelle sowie in der Bemessung ihres Querschnitts 2^ und — oberhalb eines Minimalwerts — auch ihrer Länge.

Es bestehen daher günstige Voraussetzungen für eine Ausführung als überkritisch laufende biegeelastische Welle (sog. »Laval-Welle«), und eine Weiterbildung der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwelle so bemessen ist, daß die Betriebsdrehzahl im überkritischen Bereich liegt. — Die kritische Drehzahl ist dabei diejenige (Resonanz)-Drehzahl, bei der die durch die stets vorhandene Unwucht der Scheibe und J^r> der Welle bedingte Auslenkung der Anodenscheibe maximal ist. Der überkritische Drehzahlbereich liegt oberhalb der kritischen Drehzahl, und wenn er genügend hoch liegt, kann diese Auslenkung, die sich in Erschütterungen und starken Laufgeräuschen äußern kann, auf einen Wert reduziert werden, der im unterkritischen Drehzahlbereich d. h bei Drehzahlen unterhalb der kritischen Drehzahl, nicht erreicht werden kann.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, ^ daß die Hohlwelle und die Innenwelle über einen thermisch gut leitenden, elektrisch isolierenden Körper mit dem Rotormnntel verbunden ist und daß der Rotormantel mit einem Lager verbunden ist Durch den Isolator zwischen der Anodenscheibe und dem Rotor ist so es dabei möglich, die Potentiale von Rotormantel und Anodenscheibe zu trennen. Beispielsweise kann das mit dem Rotormantel verbundene Lager geerdet sein, so daß darüber auch der Rotormantel geerdet ist, wahrend die Anodenscheibe Hochspannungspotential führt. Dies ist von besonderem Vorteil bei Anwendungsfällen, bei denen die Anodenscheibe Hochspannungspotential führen muß und wobei gleichzeitig eine hohe Antriebsleistung für den Antrieb der Anode erforderlich ist Der Rotor hat dabei nämlich dann das gleiche Potential wie w> der Stator, und deshalb kann der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der den Antriebswirkungsgrad beeinflußt, auf ein Minimum reduziert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläu <" tert. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform im Querschnitt und

F i g. 2 den Querschnitt des Anodenteils einer anderen Ausführungsform.

In Fig. 1 ist mit 1 der aus Metall besiehende Röhrenkolben einer Drehanoden-Röntgenröhre und mit 2 die Katode der Röntgenröhre bezeichnet die über einen nicht näher dargestellten Isolator mit dem Röhrenkolben verbunden ist Die Anodenscheibe 3 ist mit einer Hohlwelle 4 verbunden, die zu diesem Zweck einen flanschartigen Teil 5 aufweist gegen den die Anodenscheibe 3 mittels einer Mutter 6 gedrückt wird. Das von der Anode abgewandte Ende der Hohlwelle 4 ist mit der Stirnfläche 7 eines zylinderformigen Rotors 8 verbunden. Mit der Stirnfläche 7 des Rotormantels ist außerdem der Flansch 9 einer durch die Hohlwelle und den Rotormantel hindurchgehenden Innenwelle 10 verbunden, beispielsweise durch Verschrauben. Die Enden dieser Innenwelle sind in Kugellagern 11 und 12 gelagert die am Röhrenkolben 1 befestigt sind.

Wie ohne weiteres erkennbar ist, erfolgt der Wärmeübergang von der Anodenscheibe auf die Innenwelle 10 nicht direkt sondern über die Hohlwelle 5, die aus einem hochtemperaturfesten Metall besteht, vorzugsweise Molybdän. Die über die Hohlwelle abfließende Wärme wird zum größten Teil über den mit der Hohlwelle in gutem thermischen Kontakt befindlichen Rotor 8 abgestrahlt so daß die Temperatur am Flansch 9 der Innenwelle 10 schon relativ niedrig ist. An die Temperaturfestigkeit dieses Materials müssen daher nicnt so hohe Anforderungen gestellt werden, wie an die der Hohlwelle, und es besieht daher eine größere Freiheit in der Wahl eines geeigneten Materials. Es kann beispielsweise Chromstahl verwendet werden der eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit hat als Molybdän, so daß der Abstand der Lager, insbesondere aber der Abstand des auf der vom Rotor abgewandten Seite der Anodenscheibe angeordneten Kugellagers 12 von der Anodenscheibe sehr klein gehalten werden kann, ohne daß beim Betrieb der Röntgenröhre die Lagertemperatur unzulässige Werte erreicht

Die Welle kann auch mit Vorteil hinsichtlich ihres Querschnittes, ihrer Länge und ihrer Materialeigenschaften als biegeelastische Welle ausgeführt sein, deren kritische Drehzahl wesentlich unterhalb der Betriebsdrehzahl der Röntgenröhre liegt Die Röntgenröhre wird dann im sog. überkritischen Drehzahlbereich betrieben, der eine besondere Laufruhe gewährleistet Das von einem in F i g. 1 nicht näher dargestellten, außerhalb des Röhrenkolbens in Höhe des Rotors angebrachten Stators aufgebrachte Drehmoment wird direkt über die Hohlwelle 4 auf die Anodenscheibe übertragen, so daß die Innenwelle 10 im wesentlichen frei von Torsionsbeanspruchungen ist.

Grundsätzlich läßt sich der Betrieb im überkritischen Drehzahlbereich aber auch dadurch erreichen, daß wenigstens eines der Lager federnd mit dem Röhrenkolben verbunden ist wobei es in Längsrichtung der Innenwelle ein gewisses Spiel aufweisen sollte, damit die durch Erwärmung bedingte Ausdehnung der Innenweite nicht zu Spannungen im Röhrenkolben führen kann.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform weisen der Rotor und die Anodenscheibe dasselbe Potential auf. Dies bedingt daß bei einem Röhrenkolben aus Metall und einem direkten Kontakt zwischen den Kugeiidgern und dem Röhrenkolben die Anodenscheibe das gleiche Potential aufweist wie der Rohrenkolben, also Erdpotential.

In F i g. 2 ist der Anodenteil einer Röntgenröhre dargestellt, bei dem die Anodenscheibe und der Rotor

unterschiedliches Potential haben können. Beispielsweise kann der Rotor geerdet sein und die Anode positiv«; HochspannungsDotentiai iuhren. Dadurch ergibt sich einerseits der Vorteil, daß ein sog. symmetrischer Hcchcpamiungsgenerator verwendet werden kann, der eine in bezug auf Erdpotential symmetrische Hochspannung erzeugt, und daß einerseits der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem im allgemeinen auf Erdpotential befindlichen Stator relativ klein gehalten werden kann, so daß sich ein hoher Antriebswirkungsgrad ergibt.

Auch hier ist die Anodenscheibe 3 wieder zwischen einer Mutter 6 befestigt, die an einem Gewinde am Ende der Hohlwelle angreift, und einem Flansch 5 an der beispielsweise aus Molybdän bestehenden Hohlwelle Die Hohlwelle 4 endet in einem Flansch 27, der mit dem Flansch 9 am Ende einer innerhalb der Hohlwelle 24 konzentrisch angeordneten massiven Innenwelle 10 sowie mit einem Isolator 30 durch eine Schraubverbindung verbunden ist. Das aus dem anodenseitigen Ende der Hohlwelle herausragende Ende der Innenwelie 10 ist in einem Kugellager 12 gelageri, das von dem nicht näher dargestellten Röhrenkolben getragen wird. Der das eine Ende der Hohlwelle und Innenwelle becherförmig umschließende Isolator 30 weist an seiner der Anodenscheüje zugewandten Seite einen Flunsch ?¹ au¹ der mit den Flanschen eines zyiinderförmigen Rotors t und eines innerhalb des Rotors 8 konzentrisch angeordneten, den Isolator 30 umschließenden becherlormigcn Teils Ϊ2 ve;bunden ist, dc^r in einem Lrjger 11 gelagert ist.

Der Isolator 30 sollte einen geringen Wärmewider stand aufweisen, so daß ein relativ hoher Anteil der über die Hoiiiweile gelangenden thermischen Energie übet

κ; ή'.ϊ isolator dem Rotor 8 zugeführt und dort abgcstrahh wird. Der becherförmige Teil 32 sollte zwecks thermisclier Abschirmung des Kugellagers It aus einem Material mit hohem Wärmewiderstand bestehen. Für den Fall, daß der Röhrenkolben aus Metall besteht wobei sitii besondere Vorteile ergeben, kann das Kugellager 11 direkt mit dem Röhrenkolben verbunden sein. Das Kugellager 12 hingegen führt Hochsspannungspotential, das der Anodenscheibe über die Innenwelle 10 und die Hohlwelle 4 zugeführt wird. Irr Falle eines Röhrenkolbens aus Metal! muß dabei da« Kugellager in einem mit dem Röhrenkolben verbünde nen, in Fig.2 nicht näher dargestellten Isolatoi angeordnet sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

I Patentansprüche:

1. Drehanoden-Röntgenröhre mit zweiseilig gelagerter Drehanode, wobei die Anodenscheibe (3) an einer Hohlwelle (4) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Hohlwelle (4) eine Innenwelle (10) konzentrisch gelagert ist, die mit der Hohlwelle (4) an einer Stelle verbunden ist, derart, daß der Wärmeübergang zwischen der Innenfläche der Hohlwelle (4) und der Oberfläche der Innenwelle (10) hauptsächlich durch Strahlung erfolgt, und daß die Innenwelle (10) direkt oder über Zwischenglieder in beiderseits der Anodenscheibe (3) angeordneten Lagern (11,12) gelagert ist.

2. Drehanoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle zwischen der Hohlwelle (4; 24) und der Innenwelle (10; 20) von dem Rotor (7, 8; 28) umschlossen wird und daß der Rotor thermisch gut leitend mit der Hohlwelle (24) verbunden ist.

3. Drehanoden-Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwelle (10) so bemessen ist, daß die Betriebsdrehzahl im überkritischen Drehzahlbereich liegt.

4. Drehanoden-Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer aus Molybdän bestehenden Hohlwelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwelle (10; 20) aus Chromstahl besteht.

5. Drehanoden-Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (24) und die Innenwelle (20) über einen thermisch gut leitenden, elektrisch isolierenden Körper (30) mit dem Rotormantel (28) verbunden ist und daß der Rotormantel bzw. ein damit verbundener Teil (32) mit einem Lager (2!) verbunden ist (F i g. 2).