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Drehanodenkonstruktion in einem Röntaengenerator
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehanodenkonstruktion in einem
R8ntgengenerator mit einer in einem unter Hochvakuum stehenden Generatorgehäuse
angeordneten Kathode und dieser gegenüberliegenden Drehanode, die auf einer in der
Generatorgehäusewand hochvakuumdicht drehbar gelagerten und von außen drehantreibbaren
Hohlwelle angeordnet ist, die eine zentrale Kühlmittel-Durchführung zu einem inneren
Hohlraum der Drehanode bildet.
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In Röntgengeneratoren werden Drehanoden zur Intensitätserhöhung bis
auf das - too-fache gegenüber konventionellen Generatoren mit fester Anode verwendet.
Derartige Generatoren
werden zur Erzeugung von Rontgenstrahlen insbesondere
für die Herstellung von Beugungsspektren verwendet.
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Wesentliches Problem bei Röntgengeneratoren mit Drehanoden ist, die
Lagerung für die Drehanode und deren motorischen Antrieb von außen vakuumdicht zu
gestalten und trotzdem Drehzahlen für die Anode in der Größenordnung von 2000 bis
10 000 U/?lin. zu beherrschen. rleichzeitig ist die Anode eines solchen Röntgengenerators
vorzugsweise durch eine Kühlflüssigkeit zu kühlen, welche ebenfalls durch die Lageranordnung
der Anode zugeführt und wieder abgeführt werden muß.
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Die Leistung eines solchen Röntgengenerators ist eine Funktion der
Umlaufgeschwindigkeit der Drehanode, deren Umfangsgeschwindigkeit vom Durchmesser
der Anode und der Drehzahl abhängt. Ferner hängt die Leistung von der Menge des
der Anode zuführbaren Kühlmittels ab. Bei einer beispielsweise aus der DT-Gbn 77
17 334 bekanntgewordenen einseitigen Lageranordnung für die Drehanode eines Röntgengenerators
ist das Kühlmittel durch die Lageranordnung sowohl zu- als auch abzuführen, so daß
bei höheren Drehzahlen Drosseleffekte unvermeidbar sind. Der Erhöhung der Drehzahl
und des Durchmessers der Anode sind somit Grenzen gesetzt, die von der llenge des
zu- und abführbaren Kühlmittels abhängen. Eine genügend hohe Drehzahlen aIlassende,
hochvakuumdichte Lageranordnung ist bereits aus dem genannten DT-Gbm 77 17 324 der
Anmelder bekannt geworden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistung eines Röntgengenerators
mit Drehanode durch eine verbesserte konstruktive Ausbildung, insbesondere bezüglich
der
weitgehend drossel freien Führung des Kühlmittels zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Drehanodenkonstruktion der
einganges genannten Art vorgeschlagen, dass die Hohlwelle der Drehanode aus zwei
koaxialen Halbwellen besteht, zwischen denen die Drehanode befestigt ist, und jede
der Halbwellen in gegen-überliegenden Wänden des Generatorgehäuses über ein hochvakuumdichtes
Drehlager gelagert und mit einem nhlmittelleitungsstutzen ihrer ein weiteres Drehlager
verbunden ist, wobei eine der Halbwellen als Kühlmittel-Zuführung und die andere
Halbwelle als Kühlmittel-Abführung dient, die den inneren Hohlraum der Drehanode
unmittelbar mit den KIlhlmittelleitungen verbinden.
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Die beidseitiqe Laqerung der Drehanode liter Halbwellen ermöglicht
unter Ausnutzung der hohen Drehzahlfestigkeit des bekannten hochvakuumdichten nrehlavers
jetzt auch die Ausnutzung dieser hohen Drehzahlen durch die Kühlmittelzufürung durch
die eine Halbwelle und die Abführung durch die andere Halbwelle. Aufgrund dieser
neuen Konstruktion kennen Drehzahlen bis tAber 9000 n/Min. gefahren werden, wodurch
bei einem Drehanodendurchmesser von beispielsweise lo cm Leistungen bei einem Fokus
von 1 mm x lo mm bis 30 kW bzw. bei einem Fokus von o,5 mm x lo mm bis 25 kW ohne
weiteres erreichbar sind. Dies sind Leistungen, die bisher bei diesen nrehanodenabmessungen
nicht erreichbar waren.
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Die neue Konstruktion erlaubt einen variablen Hühlmitteldurchfluß
bis zu 4O 1 Flüssigkeit pro Minute, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen Einlauf
und Auslauf zwischen lo°C und 150C eingehalten werden kann.
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In zweckmäßiger Ausbildung ist die Drehanode als flacher, dosenförmiger
Hohlzylinder ausgebildet, dessen Umfangswand den Anodenkörper bildet. Dabei kann
zweckmäßig die den Anodenkörper bildende Umfangswand eine zentrale, einige Millimeter
breite Erhebung von 1 bis 2 mm aufweisen. Dadurch wird eine gleichmäßige Intensitätswidergabe
garantiert und einem zu starken Ausbrennen der Anode wird vorgebeugt.
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In weiterer zweckmäßiger Ausbildung ist innerhalb des Hohlraumes der
Drehanode ein feststehender, scheibenförmiger asserverteiler angeordnet, der über
sich koaxial durch die Halbwellen erstreckende Stangen beidseitig gehalten ist.
Dabei ist weiter zweckmäßig der die Drehanode bildende Hohlzylinder einschließlich
seines inneren Hohlraumes, sowie der Wasserverteiler in ihrer Form zu einer senkrecht
zu den Drehachsen der Halbwellen liegenden Ebene spiegelsymmetrisch ausgebildet.
Diese Spiegelsymmetrie ist für die Verwirklichung einer weitgehend drosselfreien
Kühlmittelströmung wichtig.
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Dazu ist in weiterer Ausbildung der Erfindung der lichte Abstand zwischen
den Stangen und den Innenwänden der Halbwellen konstant und der lichte Abstand zwischen
dem Wasserverteiler und den Innenwänden des Hohlraumes der Drehanode derart bemessen,
daß der Strömungsquerschnitt für das Kühlmittel im wesentlichen konstant ist. Eine
weitere Verbesserung des drosselfreien Strömungsmitteldurchganges wird dadurch erreicht,
dass die Übergänge zwischen der Kühlmittel-Durchführung in den Halbwellen und der
Kühlmittel-Durchführung in dem Hohlzylinder der Drehanode, sowie von der einen Seite
des scheibenförmigen Wasserverteilers zu seiner anderen Seite strdmungsgünstig abgerundet
sind.
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Eine Einstellung des Strömungsquerschnittes insbesondere zwischen
dem tellerförmigen Wasserverteiler und den Innenwänden des Hohlraumes der Drehanode
ist dadurch auf zeckmäßige Weise ermöglicht, dass die den Wasserverteiler tragenden
Stangen im Bereich der Kühlmittelleitungsstutzen außerhalb der Halbwellen ortsfest
und in ihrer und damit der Wasserverteiler in seiner axialen Lage innerhalb des
Hohlraumes der Drehanode einstellbar angeordnet ist.
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Ein besonderes Problem ist die geeignete Abdichtung und der geeignete
Anschluß der Kühlmittelleitungen an die drehbaren Halbwellen. Dazu besteht in zweckmäßiger
Ausgestaltung das weitere Drehlager je zwischen den Halbwellen und dem Kuhlmittelleitungsstutzen
aus einem Kugellager, wobei auf der Seite der Kühlmittel-Zuführung der äußere Lagerring
des Kugellagers in einem Flansch des Leitungsstutzens und der innere Lagerring auf
dem äußeren Halbwellenende angeordnet ist und ein Rohrflansch des Leitungsstutzens
in das äußere Halbwellenende unter Bildung eines geringsmöglichen Lagerspaltes hineinragt
und wobei auf der Seite der Kühlmittel-Abführung der äußere Lagerring des Kugellagers
in einer drehfest mit der Halbwelle verbundenen Buchse und der innere Lagerring
auf einem Rohrflansch des Leitungsstutzens angeordnet ist und das äußere Halbwellenende
in den Rohrflansch des Leitungsstutzens unter Bildung eines geringstmöglichen Lagerspaltes
hineinragt.
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Durch diese Anordnung ist eine Lage der Lagerspalte zwischen dem Leitungsstutzen
bzw. dessen Rohrflansch und den zugeordneten Enden der jeweiligen Halbwelle gegeben,
durch welche unter Berücksichtigung der vorgegebenen Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit
eine Saugwirkung entsprechend dem Wasserstrahlpumpenprinzip in die Kühlmitteldurchführunq
hinein
entsteht. Damit ist das Austreten von Flüssigkeit vermieden, da allenfalls durch
die Lagerspalte eine gerinqe ende Luft in das Kühlmittelsystem hineingesaugt wird.
2zweckmäßig können die Kugellager dieser weiteren Drehlager aus mit zwei Dichtscheiben
geschlossenen Kugel lagern bestehen, wie sie auch für die hochvakuumdichte Laqeranordnune
der Halbwellen verwendet werden.
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weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet. Eine heispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden
anhand der beigefügten Zeichnuns naher beschrieben. Deren einzige Figur zeigt eine
erfindungsgemäBe Drehanodenkonstruktion schematisch im Schnitt.
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Innerhalb eines Generatorgehauses 1 befindet sich eine Drehanode 2,
deren Außenumfang einer schematisch angedeuteten Kathode 3 gegenüberliegt. Mit 4
sind zwei Fenster für den Austritt von mit Pfeilen 5 angedeuteten Röntgenstrahlen
bezeichnet. In Lagerbuchsen 6,7 in gegenüberliegenden Wandungen des Generatorgehäuses
1 sind über hochvakuumdichte Lageranordnungen 8,9 hohle Halbwellen 10,11 gelagert.
Die Lageranordnungen 8 und 9 werden nicht näher beschrieben. Sie sind an sich bekannt
und sind in verschiedenen Ausführungsformen in dem DT-Gbm 77 17 324 beschrieben.
Die äußeren Enden der Halbwellen 10,11 sind gegenüber Sühlmittelleitungsstutzen
12,13 durch weiter unten n4her beschriebene weitere Drehlager 14,15 drehbar verbunden.
Der Kühlmittelleitungsstutzen 12 dient, wie durch Pfeile angedeutet, als Kühimittelzuführung
und ist bei 16 in geeigneter Weise mit einer KUhlmittelzuleitung verbindbar. Der
Xühlmittelleitungsstutzen 13 dient
wie ebenfalls durch Pfeile angedeutet,
als Kühlmittelabführung und ist bei 17 mit einer Kühlmittelabführleitung verbindhar.
Hit 18 und 19 sind Vakuumleitungen bezeichnet, welche in nicht näher erläuterten
Zwischenkammern in der Lageranordnung 8, bzw. 9 ein Zwischenvakuumerzeugen wie im
DT-Gbm 77 17 324 beschrieben, erzeugen.
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Die Drehanode 2 besteht aus einem flachen, dosenförmigen Hohlzylinder,
der aus zwei tellerscheibenförmigen Teilen 20 und 21 hochvakuumdicht zusammengesetzt
ist. Die Umfangswand 22 dieses Hohl zylinders bildet den eigentlichen Anodenkörper,
der an seiner Außenseite eine Erhebung 23 zur Vermeidung eines schnellen Ausbrandes
aufweist. Die Teile 20 und 21 sind asymmetrisch ausgebildet um die hochvakuumdichte
Verbindungsstelle 24 zwischen den Teilen 20 und 21 nicht in den Anodenkörper zu
legen. Die Anodenteile 20 und 21 sind jeweils mit den inneren Enden der Halbwellen
10 und 11 hochvakuumdicht verbunden. Dazu sind die Halbwellen mit ihren inneren
Enden in die Teile 20 bzw. 21 eingeschraubt und pressen sich mit Flanschen 25 bzw.
26 gegen entsprechend vorgeformte Bereiche der aus weicherem Material bestehenden
Teile 20, 21, so daß eine hochvakuumdichte Abdichtung erzielt ist.
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Innerhalb des inneren Hohlraumes der Drehanode 2 ist ein scheibenförmiger,
feststehender Wasserverteiler 27 angeordnet, welcher über durch die Hohlwellen 10,11
ragende Stangen 28,29 gehalten ist. Innerhalb des Wasserverteilers 27 sind die Stangen
durch entsprechende Formgebung zu einer biegesteifen Kupplung ineinander geschoben
und jeweils mit dem Wasserverteiler verschraubt. Die äußeren Enden der Stangen 28,29
sind in den Leitungsstutzen 12,13
befestigt. Dazu ist in der Wand
des Stutzens 13 eine Öffnung 31 vorgesehen, durch welche die Stange 29 ragt, die
mit einem dichtend außen an dem Stutzen 13 anliegenden Deckelteil 32 durch eine
Schraube 30 verbunden ist. Mit dem äußeren Ende der Stange 28 ist über eine Schraube
33 ein Einstellteil 34 verbunden. Im übrigen ist die Stange 28 über ein Gewinde
35 in die äußere Wandung des Stutzens 12 eingeschraubt. Durch Verstellung am Stellteil
34 ist die axiale Lage des Wasserverteilers 27 innerhalb des Hohlraumes der Drehanode
einstellbar.
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Die zwischen den Halbwelle 10,11 und den Stangen 28,29 sowie zwischen
dem Wasserverteiler 27 und den Anodenteilen 20, 21 gebildete Kühlmittel-Durchführung
ist so ausgebildet, daß der Strömungsquerschnitt im wesentlichen konstant bleibt
und Strömungsverluste durch scharfe Umlenkungen vermieden sind. Entsprechend sind
die Übergänge abgerundet.
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Die weiteren Drehlager 14 und 15 sind unterschiedlich ausgebildet.
Auf der Seite des Kühlmittelstutzens 12, dem Zufluß ist das Kugellager 36 mit seinem
äußeren Lagerring in einem Flansch 37 des Leitungsstutzens 12 angeordnet und mit
seinem inneren Lagerring auf einem Endteil 38 der Halbwelle 10 angeordnet, Das Endteil
38 der Halbwelle 10 hat gegenüber der Halbwelle 10 selbst einen vergrößerten Innendurchmesser
und in das Endteil 38 ragt ein Rohrflansch 39 des Leitungsstutzens 12, so daß zwischen
dem feststehenden Rohrflansch 39 und dem dicht zusammen mit der Halbwelle 10 drehenden
Endteil 38 ein Laoers-alt 40 gebildet ist, der sich bezüglich des Kühlmittelstromes
stromabwärts des Lagers 14 in den Kühlmitteldurchlaß innerhalb der Halbwelle 10
öffnet.
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Auf der anderen Seite ist das weitere Drehlager 15 durch ein Kugellager
41 gebildet, dessen äußerer Laufring in einer Buchse 42 angeordnet ist, welche auf
der Halbwelle 11 befestigt, vorzugsweise aufgeschraubt ist. Der innere Laufring
des Kugellagers 41 ist auf einem Rohrflansch 43 des Leitungsstutzens 13 angeordnet,
in welchen ein im Außendurchmesser verringertes Endteil 44 der Halbwelle 11 ragt.
Dadurch wird zwischen dem Rohrflansch 43 und dem Endteil 44 ein Lagerspalt 45 gebildet,
der sich bezüglich der Stromungsrichtung des Kühlmittels stromab des Lagers 15 in
die Kühlmitteldurchführung öffnet. Die beschriebene Anordnung der Lagerspalte 40
und 45 bewirkt, dass unter dem Einfluß des durchströmenden Kühlmittels nach dem
zfasserstrahlpumpenprinzip eine Saugwirkung von außen nach innen durch die Lagerspalte
40 bzw. 45 eintritt. Damit ist auf jeden Fali ein Austritt von Kühlflüssigkeit verhindert
und es wird allenfalls eine unerhebliche Menge Aussenluft angesaugt, sofern die
Abdichtung der Kugellager 36 bzw. 41 nicht ausreicht. Diese sind als an sich dichte,
handelsUbhche Lager mit zwei Dichtscheiben (nicht dargestellt) ausgebildet.
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Für den Drehantrieb der Drehanode 2 genügt es, wenn eine der Halbwelle
10 oder 11 drehangetrieben wird. Bei der gezeigten Ausführungsform ist zweckmäßig
die Buchse 42 an ihrem Außenumfang verzahnt, so daß in diese Verzahnung ein als
Zahnriemen 46 ausgebildetes Abtriebsglied eines nicht dargestellten Antriebes eingreifen
kann.
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