DE2845007A1

DE2845007A1 - Drehanoden-roentgenroehre mit einem metallkolben

Info

Publication number: DE2845007A1
Application number: DE19782845007
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Phys Dr Hartl
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1978-10-16
Filing date: 1978-10-16
Publication date: 1980-04-30
Also published as: FR2439476A1; NL7907527A; GB2038539A; DE2845007C2; FR2439476B1; US4413356A; IT7926480A0; IT1123836B; CA1155899A; BE879424A; JPS5553862A; GB2038539B

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, STEINDAMM 94, 2000 HAMBURG

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Drehanoden-Röntgenröhre mit einem Metallkolben

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehanoden-Röntgenröhre mit einem Metallkolben, deren Anodenscheibe über einen ersten Isolator mit dem Rotor verbunden ist und in zwei Lagern gelagert ist, von denen das eine zwischen dem ersten Isolator und dem Metallkolben und das andere zwischen der die Anodenscheibe tragenden Welle und einem feststehenden, mit dem Metallkolben verbundenen zweiten Isolator angeordnet ist.

Eine solche Drehanoden-Röntgenröhre ist aus der DE-OS 24 55 974 bekannt. Als Lager dienen dabei - ebenso wie bei allen anderen in der Praxis benutzten Drehanoden-Röntgenröhren - Kugellager. Über Kugellager kann nur ein verhältnismäßig geringer Wärmestrom abgeführt werden. Deshalb ist die der Anodenscheibe zuführbare elektrische Leistung sowie die ausnutzbare Strahlungsleistung begrenzt. Die Kugellager müssen auch einen Mindestabstand zur Anodenscheibe aufweisen, damit sie sich im Betrieb nicht zu stark erhitzen. Dadurch wird die Baulänge einer solchen Drehanoden-Röntgenröhre auch bei der Anwendung von Wärmesperren im Achssystem in Richtung parallel zur Antriebswelle verhältnismäßig groß.

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Ein weiterer Grund, warum bei einer derartigen Drehanoden-Röntgenröhre die Belastbarkeit nicht wesentlich vergrößert werden kann, liegt darin, daß zu diesem Zweck der Anodenscheibendurchmesser wesentlich vergrößert werden müßte, was eine erhebliche Vergrößerung des Trägheitsmomentes zur Folge hätte. Dieses würde wiederum eine erheblich vergrößerte Statorleistung erfordern, um den Rotor bzw. die Anodenscheibe vor Beginn einer Röntgenaufnahme innerhalb einer angemessenen Zeitspanne (etwa 1 s) aus dem Stillstand auf die Nenndrehzahl zu beschleunigen. Eine solche Erhöhung der Statorleistung ist jedoch kaum noch möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drehanoden-Röntgenröhre der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sich in axialer Richtung eine geringere Bauhöhe und eine verbesserte Wärmeabfuhr über die Lager ergibt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

a) der erste Isolator verjüngt sich konusförmig zur Anodenscheibe hin und ist in unmittelbarer Nähe der Anodenscheibe angeordnet,
b) als Lager dienen Gleitlager, wobei als Schmiermittel eine bei Raumtemperatur flüssige Metallegierung mit niedrigem Dampfdruck dient.

Gleitlager mit einem flüssigen Metall als Schmiermittel haben einen wesentlich geringeren Wärmewiderstand als Kugellager. Um&iese verbesserte Wärmeleitfähigkeit voll ausnutzen zu können, ist es wichtig, daß der erste Isolator in unmittelbarer Nähe der Anodenscheibe angeordnet ist, so daß die in deren Zentrum auftretende Wärme möglichst unmittelbar über den ersten Isolator abgeleitet werden kann. Der erste Isolator sollte dabei möglichst flach sein, weil sich dann ein wesentlich kleinerer Wärmewiderstand ergibt, als bei den sonst bei Drehanoden-Röntgenröhren üblichen

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aus Molybdän bestehenden und die Anodenscheibe mit den Lagern verbindenden Welle, obwohl die Wärmeleitfähigkeit von Molybdän einige Male besser ist als die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxid-Keramik, die vorzugsweise als Isolatormaterial eingesetzt wird.

Wenn der erste Isolator in unmittelbarer Nähe der Anodenscheibe angeordnet ist, muß er sich zur Anodenscheibe hin verjüngen, damit Entladungsvorgänge auf diesem Isolator, die zur Zerstörung der Röhre führen könnten, vermieden werden. Wenn sich der erste Isolator zur Anodenscheibe hin verjüngt, findet nämlich jedes auf den Isolator auftreffende Elektron ein von dem Isolator weg zur Anodenscheibe hin gerichtetes elektrisches Feld vor. Ein einzelnes Elektron kann hierbei also keine Störungen hervorrufen. Würde sich der in unmittelbarer Nähe der Anodenscheibe angeordnete erste Isolator nicht zur Anodenscheibe hin verjüngen, sondern z.B. verbreitern, dann würde ein auf den Isolator auftreffendes (beispielsweise aus dem Metallkolben ausgelöstes) Elektron

ebenfalls zur Anode hin beschleunigt werden, jedoch würde es sich auf der Isolatoroberfläche entlangbewegen, weil es kein von der Isolatoroberfläche wegweisendes elektrisches Feld vorfindet. Nach Durchlaufen einer gewissen Strecke hätte ein solches Elektron genügend Energie, um weitere

Elektronen auszulösen, die ihrerseits wiederum weitere Elektronen auslösen, so daß es zu einer auf der Isolatoroberfläche zur Anode laufenden Elektronenlawine kommen kann, die eine erhebliche Störung, unter Umständen auch Gasausbrüche oder gar einen Durchschlag des Isolators, hervorrufen kann.

An dieser Stelle sei bemerkt, daß Gleitlager, wie sie bei der Erfindung benutzt werden, bereits Gegenstand der älteren Anmeldung P ... (holländische Anmeldung 77 13 634

vom 9.12.1977) sind. Solche Gleitlager haben - insbesondere wenn nach einer Weiterbildung der Erfindung wenigstens

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jeweils eine der beiden Lagerflächen mit Spiralrillen versehen ist - eine vielfach höhere Lebensdauer als Kugellager. Ss ist daher nicht erforderlicht, daß - wie bei Röntgenröhren mit Kugellagern - die Anodenscheibe vor Beginn der Aufnahme auf die Nenndrehzahl beschleunigt und danach wieder zum Stillstand gebracht werden muß, damit der Kugellagerverschleiß nicht die Lebensdauer der Drehanoden-Röntgenröhre herabsetzt; es ist vielmehr möglich, bei Beginn einer Röntgenuntersuchung den Antrieb für die Anodenscheibe einzuschalten und ihn erst nach dem Ende der Untersuchung abzuschalten, so daß die Anodenscheibe bei während der Untersuchung erfolgenden Röntgenaufnahmen bereits ihre Nenndrehzahl erreicht hat und nicht aus dem Stillstand beschleunigt werden muß. Der Stator muß die Anodenscheibe hierbei also nicht kurzzeitig auf die Nenndrehzahl bringen, sondern lediglich die Antriebsenergie liefern, die zur Überwindung der Reibung erforderlich ist und kann daher für eine wesentlich geringere Antriebsleistung ausgelegt sein als bei normalen Drehanoden-Röntgenröhren bzw. es können mit einem normalen Stator wesentlich größere Anodenscheiben angetrieben werden als bei den sonst üblichen Drehanoden-Röntgenröhren.

Davon ausgehend sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß die Anodenscheibe einen so großen Durchmesser aufweist, daß sich im Außenbereich eine große Wärmekapazität ergibt und so ausgestaltet ist, daß im Zentralbereich ein großer Wärmewiderstand, derart, daß sich von der Brennfleckbahn zur Scheibenmitte ein solches Temperaturgefälle ergibt, daß die Temperatur in Scheibenmitte allenfalls geringfügig über der maximal zulässigen Lagertemperatur liegt. Der Anodenscheibendurchmesser sollte dabei 250 mm oder mehr betragen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

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Die Zeichnung zeigt eine Drehanoden-Röntgenröhre, deren aus Metall bestehender Röhrenkolben mit 1 bezeichnet ist. Der Metallkolben 1 ist - mit Ausnahme seines in der Nähe des Strahlenaustrittsfensters liegenden Bereiches - rotationssymmetrisch aufgebaut. Ein im Innern des Metallkolbens angeordneter Rotor 3 ist in bekannter Weise mittels eines außerhalb des Metallkolbens in unmittelbarer Nähe der Rotorfläche angeordneten Stators antreibbar. Der Rotor 3 ist mit einem Isolator 4 starr verbunden, der seinerseits mit einer vorzugsweise hohlen Welle 5 verbunden ist, die die Anodenscheibe 6 mit einem Durchmesser von 300 mm trägt.

Die Kathode 7 ist am äußeren Umfang des"Metallkolbens 1 in der Ebene der Anodenscheibe 6 an einem Isolator 8 angebracht.

Die zwischen der Kathode und der Anode angeordneten Steuerelektroden sind nicht Gegenstand dieser Erfindung. Sie sind in der älteren Patentanmeldung P 28 07 735 beschrieben. Auf eine nähere Darstellung sei an dieser Stelle verzichtet. Der von der auf dem äußeren Umfang der Anodenscheibe angeordneten Brennfleckbahn emittierte Strahlungskegel tritt auf der vom Isolator 4 abgewandten Seite des Röhrenkolbens aus - wie durch gestrichelte Cinie 9 angedeutet. Der Strahlenkegel kann aber auch auf der dem Isolator 4 zugewandten Seite des Röhrenkolbens austreten, wenn die Anodenscheibe 6 um eine zu ihrer Drehachse senkrechte Achse um 180° gegenüber der Zeichnung gedreht ist.

Wie bereits erwähnt, ist der Isolator 4 in unmittelbarer Nähe der Anodenscheibe angebracht und direkt mit einer kreisförmigen Scheibe 10a verbunden, die im geringen Abstand von der Anodenscheibe 6 angeordnet ist und verhindert, daß der Isolator durch Strahlung aus dem Zentralbereich der Anodenscheibe unmittelbar erwärmt wird. Eine entsprechende Scheibe 10b ist auf der entgegengesetzten Seite der Anodenscheibe 6 angebracht. Wenn ein solcher Schutz vor Strahlung überflüssig ist, kann die Anodenscheibe 6 direkt mit dem Isolator 4 verbunden sein.

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Der Isolator 4, der vorzugsweise aus Aluminiumoxid-Keramik besteht, ist verhältnismäßig flach, damit sich ein geringer Wärmewiderstand ergibt und er verjüngt sich zur Anodenscheibe 6 bzw. zur Scheibe 10a hin, damit Entladungsvorgänge, die die Isolatoroberfläche zerstören könnten, vermieden werden. Der Isolator 4 ist mittels eines Spiralrillen-Gleitlagers in dem Metallkolben gelagert. Dieses Gleitlager besteht aus einer ersten mit dem Isolator 4 verbundenen konischen Lagerfläche 11, die sich zur Anoden-scheibe 6 hin verbreitert. Der Metallkolben ist mit einer entsprechend geformten Lagerfläche 12 versehen, wobei zwischen den beiden Lagerflächen 11 und 12 ein schmaler Spalt freibleibt. Eine der Lagerflächen, im Ausführungsbeispiel die Lagerfläche 11, ist mit einem Spiralrillen- muster versehen, d.h. mit zwei Gruppen von zueinander parallelen, unter einem Winkel zur Drehachse verlaufenden Spiralrillen, die in ihrem Berührungspunkt enden, so daß sich ein fischgrätenähnliches Muster ergibt. Zwischen den beiden Lagerflächen befindet sich eine bei Zimmertemperatur flüssige Metallegierung, vorzugsweise eine eutektische Legierung aus Gallium einerseits und Indium und/oder Zinn andererseits. Diese Legierungen zeichnen sich durch einen niedrigen Schmelzpunkt, einen niedrigen Dampfdruck und eine niedrige Oberflächenspannung aus, so daß die Metallegierung auch im Stillstand nicht aus dem Lager auslaufen kann. Im Betriebszustand sind die beiden Lagerflächen voneinander getrennt, weil sich die Metallegierung in den Berührungspunkten jeweils zweier Spiralrillen staut, wenn bei dem angegebenen Verlauf der Spiralrillen die Anodenscheibe im Sinne des Pfeiles 17 gedreht wird. Ein solches Spiralrillen-Gleitlager, das mit einer Metallegierung geschmiert ist, hat einen niedrigen Wärmewiderstand und einen niedrigen elektrischen Widerstand.

Grundsätzlich ist es auch möglich, den Rotor als eine Lagerfläche zu benutzen. Er muß dann mit einem Fischgrätrillen-

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muster versehen sein. Da als Material für die Lagerflächen Kupfer weniger geeignet ist, das sich wiederum für den Rotormantel hervorragend eignet, ist es zweckmäßig, den Kupfermantel des hohlkegelstumpfförmigen Rotors mit einem dünnen Überzug aus einem geeigneten Metall, das von der als Schmiermittel benutzten Metallegierung nicht angegriffen wird, zu versehen, beispielsweise mit Wolfram oder Molybdän. Dieser Metallüberzug kann dann die Rillen des Gleitlagers enthalten; die Rillen können jedoch auch an der am Metall·" kolben angeordneten Lagerfläche angebracht sein.

Auf der anderen Seite der Anodenscheibe 6 ist ebenfalls ein Spiralrillen-Gleitlager 13 mit Flüssigmetallschmierung vorgesehen, dessen eine Lagerschale an der Hohlwelle 5 und dessen andere Lagerschale an einem Isolator 14 befestigt ist, der mit dem Metallkolben 1 vakuumdicht verbunden ist. Die Hochspannung wird der Anodenscheibe 6 über die Hohlwelle 5 und das Lager 13 von einem winklig gebogenen Hochspannungsstecker 15 zugeführt, der unter Zwischenfügung einer Gummimanschette 16 auf den Isolator 14 aufgeschoben ist. Das Lager 13 kann ebenfalls eine Konusform haben, so daß es radiale und axiale Kräfte aufnehmen kann. Die Röntgenröhre enthält außerdem nicht näher dargestellte Federn, die thermisch bedingte Verschiebungen der Lager

in Richtung parallel zur Drehachse und senkrecht dazu aufnehmen.

Der äußere Bereich der Anodenscheibe 6 hat eine größere Dicke als der Zentralbereich und deshalb auch eine höhere

Wärmekapazität und einen geringeren Wärmewiderstand als dieser. Der Wärmewiderstand des Zentralbereiches kann auch dadurch vergrößert werden, daß für diesen Bereich ein Material mit geringer Leitfähigkeit gewählt wird und daß die Anodenscheibe in diesem Bereich mit gleichmäßig

über den Umfang verteilten Ausnehmungen versehen ist. Durch diese Ausgestaltung der Scheibe wird erreicht, daß nur ein

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vergleichsweise kleiner Anteil der der Brennfleckbahn zugeführten Energie über den Zentralbereich und den Isolator 4 sowie das Lager 11, 12 abgeführt wird; gleichwohl ist der Wärmestrom über den Isolator größer, als bei einer konventionellen Drehanoden-Röntgenröhre, weil die im Brennfleck umsetzbare elektrische Leistung wesentlich größer ist als bei den bekannten Röntgenröhren. Die Temperatur im Außenbereich der Anodenscheibe 6 bleibt wegen des vergrößerten thermischen Widerstandes im Zentralbereich relativ groß, so daß ein sehr großer Anteil der zugeführten Energie durch thermische Emission aus dem Außenbereich abgeführt werden kann. Es ist daher wichtig, daß der Außenbereich eine große Wärmekapazität besitzt, wie sie bei großen Scheibendurchmessern gegeben sind.

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Claims

PHILIPS PATENTVERWALiIpQ; *rMKit- $ΐ£7βΌ*\Μ 9k, 2000 HAMBURG 1 PHD 78-139 PATENTANSPRÜCHE:

1. Drehanoden-Röntgenröhre mit einem Metallkolben (1), deren Anodenscheibe (6) über einen ersten Isolator (4) mit dem Rotor (3) verbunden ist und in zwei Lagern (12, 13) gelagert ist, von denen das eine zwischen dem ersten Isolator (4) und dem Metallkolben (1) und das andere zwischen der die Anodenscheibe tragenden Welle (5) und einem feststehenden, mit dem Metallkolben verbundenen zweiten Isolator (14) angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der erste Isolator (4) verjüngt sich konusförmig zur Anodenscheibe (6) hin und ist in unmittelbarer Nähe der Anodenscheibe (6) angeordnet

b) als Lager dienen Gleitlager (11, 12; 13), wobei als Schmiermittel eine bei Raumtemperatur flüssige Metallegierung mit niedrigem Dampfdruck' dient.

2. Drehanoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekenns ichnet, daß die Ausdehnung des ersten Isolators (4) in Richtung parallel zur Welle (5) kleiner ist als sein Durchmesser.

3. Drehanoden-Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils wenigstens eine der beiden Lagerflächen (z.B. 11) mit Spiralrillen versehen ist.

4. Drehanoden-Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) gleichzeitig als Lagerfläche für das mit dem ersten Isolator (4) verbundene Gleitlager dient.

5· Drehanoden-Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenscheibe (6) einen so großen Durchmesser aufweist, daß sich im Außenbe-

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Ofi/ÖJNAL INSPECTED

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reich eine große Wärmekapazität ergibt und so ausgestaltet ist, daß im Zentralbereich ein großer Wärmewiderstand, derart, daß sich von der Brennfleckbahn zur Scheibenmitte ein solches Temperaturgefälle ergibt, daß die Temperatur 5 in Scheibenmitte allenfalls geringfügig über der maximal zulässigen Lagertemperatur liegt.

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