DE2845007C2

DE2845007C2 - Drehanoden-Röntgenröhre mit einem Metallkolben

Info

Publication number: DE2845007C2
Application number: DE2845007A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Phys. Dr. 2000 Hamburg 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: 1983-05-05
Also published as: IT7926480A0; JPS5553862A; IT1123836B; FR2439476A1; DE2845007A1; FR2439476B1; GB2038539A; GB2038539B; CA1155899A; US4413356A; NL7907527A; BE879424A

Description

a) der erste Isolator (4) verjüngt sich konusförmig zur Anodenscheibe (6) hin und ist in unmittelba- ts rer Nähe der Anodenscheibe (6) angeordnet,

b) die Ausdehnung des ersten Isolators (4) in Richtung parallel zur Welle ist kleiner als sein Durchmesser,

c) als Lager dienen Gleitlager (11,12; 13), wobei als Schmiermittel eine bei Raumtemperatur flüssige Metallegierung mit niedrigem Dampfdruckdient

2. Drehanoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils wenigstens eine der beiden Lagerflächen (z.B. 11) mit Spiralrillen versehen ist

3. Drehanoden-Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) gleichzeitig als Lagerfläche für das mit dim ersten Isolator (4) verbundene Gleitlager dient

4. Drehanoden-RönZgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenscheibe (6) einen so großen Durchmesser aufweist, daß sich im Außenbereich eine große Wärmekapazität ergibt und so ausgestaltet ist, daß im Zentralbereich ein großer Wärmewiderstand liegt, derart, daß sich von der Brennfleck- bahn zur Scheibenmitte ein solches Temperaturgefälle ergibt, daß die Temperatur in Scheibenmitte allenfalls geringfügig über der maximal zulässigen Lagertemperatur.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehanoden-Röntgenröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. so

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. Es sind ebenfalls Drehanodenröntgenröhren mit *5 magnetischer Lagerung bekannt — vgl. DE-OS 01 529 — doch haben sich diese wegen des damit verbundenen Aufwands für die Elektromagnete bisher in der Praxis nicht durchsetzen können.

Ein wetterer Grund, warum bei einer derartigen Prehanoden-Röntgeriröhre die Belastbarkeit nicht wesentlich vergrößert werden kann, liegt tlarirt, daß zn 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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst

Gleitlager mit einem flüssigen Metall als Schmiermittel sind Gegenstand der älteren Anmeldung P 28 52 908 und haben einen wesentlich geringeren Wärmewiderstand als Kugellager. Um diese verbesserte Wärmeleitfähigkeit voll ausnützen zu können, isc es wichtig, daß der erste Isolator in unmittelbarer Nähe der Anodenscheibe angeordnet ist, so daß die in deren Zeitraum 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 aus Molybdän bestehenden und die Anodenscheibe mit den Lagern verbindenden Welle, obwohl die Wärmeleitfähigkeit von Molybdän einige Male besser 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 uen 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, ebenfalls bereits Gegenstand der älteren Anmeldung P 28 52 908 sind.

28H5 007

Solche Gleitlager haben >- insbesondere wenn, wie a.ws der GB-PS 13 63 664 bekannt, wenigstens jeweils eine der beiden Lagerflächen mil· Spiralrillen versehen ist — eine vielfach höhere Lebensdauer als Kugellager, Es ist daher nicht erforderlich, daß — wie bei Röntgenröhren mit Kugellagern — die Anodenscheibe vor Beginn der Aufnahme auf die Nenndrehzahl beschleunigt und danach wieder zum Stillstand gebracht wenden 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 Anpdenscheibe 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 .«ein als bei normalen Drehanoden-Röntgenröhren bzw. es können mit einem normalen Stator wesentlich größere Anodenscheiben angetrieben werden als bei den sonst üblichen Drehanoden-Röntgenröhren. Der Anodenscheibendurchmesser kann 250 mm oder mehr betragen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert

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 Metallkolben angeordneter Rotor 3 ist 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 Steuere'ektroden sind nicht Gegenstand dieser Erfindung. Der von der auf dem äußeren Umfang der Anodenscheibe angeordneten Brennfleckbahn emittierte Strahlungskegel tritt auf der vom Isolator 4 abgewandten Seite des Röhrenkclbens aus — wie durch gestrichelte Linie 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.

Der Isolator 4 ist 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 iOb 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.

Der Isolator 4, der vorzugyweise aus Aluminiumoxid-Keramik besteht, ist verhältnismäßig flach, damit sich ein geringer Wärmewiderstand, ergibt und er verjüngt sjch 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 It, die sich zur Anodenscheibe 6 hin verbreitert Der ίο 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 Spiralrillenmuster 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 andere: seiis. Diese Legierungen zeichnen sich durch einen niedrigen Schmelzpunkt, einen niedrigen Dampfdruck und eine derartige Oberflächenspannung aus, daß die Metallegierung auch ':ai 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 jo staut wenn bei dem angegebenen /erlauf 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 j5 Widerstand.

Grundsätzlich ist es auch möglich, den Rotor als eine Lagerfläche zu benutzen. Er muß dann mit einem Fischgrätrillenmuster versehen sein. Da als Material für die Lagerflächen Kupfer weniger geeignet ist das s«ch wiederum für den Rotormantel hervorragend eignet ist es zweckmäßig, den Kupfermantel des hohlkegelstumpfiörmigen Rotors mit einem dünnen Überzug aus Wolfram oder Molybdän, das von der als Schmiermittel benutzten Metallegierung nicht angegriffen wird, zu versehen. Dieser Metallüberzug kann dann die Rillen des Gleitlagers enthalten; die Rillen können jedoch auch an der am Metallkolben angeordneten Lagerfläche angebracht sein.

Auf der anderen Seite der Anodenscheibe 6 ist so 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.
si 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 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 u> 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 abgestrahlt werden kann. Es ist daher wichtig, daß der Außenbereich eine große Wärmekapazität besitzt, wie sie bei großen Scheibendurchmessern gegeben sind.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1_T Preh.anoden-Röntgenröhre mit einem Metallkolben (!), deren Anodenschejbe (6) Ober 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 (4) angeordnet ist, g e k e η η -zeichnet durch folgende Merkmale: