DE2919153A1

DE2919153A1 - Roentgenstrahlenquelle

Info

Publication number: DE2919153A1
Application number: DE19792919153
Authority: DE
Inventors: David B Wittry
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1978-05-12
Filing date: 1979-05-11
Publication date: 1979-11-22
Also published as: JPS54149594A; GB2020893B; US4165472A; GB2079047A; JPS5914856B2; GB2079047B; GB2020893A

Description

10. Mai 1979 79-T-3536

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, El Segundo, Kalifornien, V.St.A-

Röntgenstrahlenquelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine rotierende Änoden-Röntgenstrahlenquelle sowie ein Kühlverfahren dafür, welches in effizienterer Weise das Target oder Ziel dieser Quelle kühlt.

Hochleistungs-Röntgenstrahlenröhren können in Anwendungsfällen benutzt werden, die sich auf die Röntgenstrahlenbeugungs-Topographie, Feinlinien-Lithographie, Radiographie, usw. beziehen. Ein Weg zur Erhöhung der Brillanz oder Belastung pro Einheitsfläche einer Röntgenröhre besteht darin, kontinuierlich den Elektronenstrahlbrennpunkt auf einer frischgekühlten Mehalltargetstirnflache zu positionieren. Ein gseignetes Verfahren zur Brillanzerhöhung besteht deirin, eine Röntgenröhre auszuwählen, die eine bewegliche (d.h. drehbare) Ziel- oder Target-Anode aufweint,

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und zwar zusammen mit einem Induktionsmotor zur Erzeugung der Anodendrehung. Damit jedoch eine Röntgenstrahlenröhre kontinuierlich betrieben werden kann, muß darinnen ein effizientes Kühlverfahren vorgesehen sein, da die Durchschnittstemperatur der Target- oder Zieloberfläche proportional zur Eingangsleistung ist und die zulässige Belastung der Drehziehlanode teilweise bestimmt ist durch den Schmelzpunkt der Elektronenstrahl-Metallzieloberfläche. Zwei essentielle Merkmale einer Drehanoden— konstruktion sind ein Wasserzirkulationsmechanismus zur Kühlung der Elektronenstrahltargetoberfläche und eine Vakuumabdichtvorrichtung.

Typischerweise wird ein Direktkühlverfahren beim Stand der Technik verwendet, um die Drehanodenzieloberfläche mit einem Wasserstrom zu kühlen. Das bekannte direkte Kühlverfahren macht jedoch Kühlmittelkanäle erforderlich, die sich radial durch die ganze Drehzielanode erstrecken. Dies hat den unerwünschten Effekt einer Erhöhung des hydrostatischen Drucks an der Elektronenstrahlzieloberflache zur Folge. Eine Folge dieses erhöhten hydrostatischen Drucks ist die beschränkte Anodenzielgröße und ferner ist die Eingangsleistung und Temperatur begrenzt, was wiederum in unerwünschter Weise die Ausgangsbrillanz vermindert. Darüber hinaus ist durch die Einspeisung von Kühlwasser ins Innere des Target bei den bekannten Vorrichtungen die Umfangsgeschwindigkeit der Drehzielanode begrenzt. Ferner wird ein großer Teil des Kühlwassers schließlich abgegeben und verschwendet.

Zusammenfassung der Erfindung. Kürz gesagt sieht die Erfindung allgemein eine Drehanoden-Röntgenstrahlenquelle vor, die Mittel zur wirksamen Kühlung der Elektronenstrahlzieloberfläche aufweist, und zwar durch eine Flüssigkeit-zu-Dampf-Phasen-Kühlung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Drehanode eine gekühlte Kondensationsoberfläche auf sowie einen benachbart angeordneten evakuierten Dampfhohlraum mit einem darinnen ausgebildeten Flüssigkeitsreservoir. Die auf die Drehanodenzieloberflache aufgebrachte Wärme bewirkt die Verdampfung der Flüssigkeit in dem Hohlraum. Der Dampf wird

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durch die Kondensationsoberfläche kondensiert und Wärme in der Form von Dampf wird von der Anodenzieloberfläche über die Kondensationsoberfläche und eine Kühlmittelführungsleitung entfernt. Das sich ergebende Kondensat wird zum Wasserreservoir mittels Zentrifugalkraft zurückgebracht, um einen geschlossenen Kühlzyklus zu vollenden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Dampfhohlraum der Drehanode ein dochtloses Heizrohr auf.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Anodentarget Dochtmittel auf, die an einem Ende einer hohlen Drehwelle befestigt sind. Die Dochtmittel sind benachbart zur Anodentargetoberfläche positioniert. Als Teil eines offenen Kühlzyklus wird Wasser kontinuierlich den Dochtmitteln über einen Kanal zugeführt, der durch die Anode ausgebildet ist. An die Anodenziel- oder -targetoberfläche angelegte Wärme veranlaßt das Wasser an den Dochtmitteln zur Verdampfung. Die Wärme wird von der Targetoberfläche mittels des Dampfs abgeführt. Dieser Dampf läuft durch die hohle Drehwelle, um so eine Turbine anzutreiben, die ihrerseits die Drehung der Anodenwelle bewirkt.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt der Drehanoden-Röntgen-

strahlenquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Drehanode

der Fig. 1, wobei das Kühlverfahren der Erfindung im einzelnen dargestellt ist;

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Fig. 3 und 3a den Teilquerschnitt einer Drehanoden-

Röntgenstrahlenquelle und der Kühlmittel dafür, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung bilden;

Fig. 4 einen Teilquerschnitt einer Drehanoden-

Röntgenstrahlenquelle sowie der Kühlmittel dafür gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Es sei nunmehr das bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt der Drehanoden-Röntgenstrahlenquelle 1, die einen Teil der Erfindung bildet. Die Drehanode 1 weist ein Nabenglied 16, eine sich verjüngende Scheibe oder ein plattenförmiges Glied 17 und ein Spindelglied 18 auf. Die Drehanode 1 besitzt einen Querschnittsabschnitt, der vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist. Es kann jedoch auch irgendein anderes geeignetes Material verwendet werden, welches die Eigenschaften hoher Festigkeit, niedriger Dichte und geeigneten Korrosionswiderstands besitzt (wie beispielsweise Aluminium, Molybdän oder Magnesium). Erfindungsgemäß ist die Drehanode 1 mit neuartigen Kühlmitteln ausgestattet, durch welche Wärme,aufgebracht auf die Elektronenstrahlzieloberflache 4, entfernt wird, wobei diese Zieloberfläche einen Teil der verjüngten Vorderstirnfläche des Plattenglieds 17 umfaßt. Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser oder dgl., wird durch die in Serie geschalteten Einlaß- und Auslaßkanäle 6 und 8 zirkuliert. Die Kanäle 6 und 8 bilden einen kontinuierlichen Kühlmittelpfad, der sich sowohl in Längsrichtung durch die Anodendrehwelle 2O, als auch radial von der Mittellinie der Welle 20 aus durch einen Teil des Anodenplattenglieds 17 erstreckt, wobei die Linearabmessung der erwähnten Radialerstreckung mit R₁ bezeichnet ist. Das Kühlmittel wird zu den Einlaß- und Auslaßkanälen 6 und 8 geliefert bzw. entfernt mittels geeigneter (nicht gezeigter) Wellendichtungen, angeordnet auf der Welle 20.

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Die Drehanode 1 weist eine abgedichtete evakuierte Dampfkammer 3 auf, die innerhalb des Plattenglieds 17 entgegengesetzt zum Auslaßkanal 8 gebildet ist. Die evakuierte Dampfkammer 3 erstreckt sich auch radial von der Mittellinie der Anodenwelle 2O aus, wobei die Linearabmessung der Radialerstreckung mit R~ bezeichnet ist. Nachdem die Dampfkammer 3 evakuiert ist, wird eine Menge Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser oder dergleichen, über einen Stopfen 22 und einen damit verbundenen Einlaßkanal 23 eingegeben, um so ein Reservoir 14 in der Kammer 3 zu bilden, welches von der benachbarten Drehanodentargetoberflache 4 umgeben ist.

Die Elektronenstrahlziel- oder -targetoberflache 4 weist einen Elektronenstrahlzielring 2 auf, der aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer oder dergleichen, ausgebildet ist. Nickeleinsatzringe 5 sind zwischen den oberen und unteren Oberflächen des Kupferrings 2 und dem rostfreien Stahl der Drehanode 1 eingesetzt, so daß der Kupferring 2 leicht in eine gewünschte Position geschweißt werden kann, um eine vakuumdichte Abdichtung vorzusehen und das Bombardement des Ziels 4 mit Elektronen zu ermöglichen.

Eine Kondensationsoberfläche 10, wie beispielsweise eine Platte oder ein Ring, ist zwischen dem sich radial erstreckenden Kühlmittelauslaßkanal 8 und der evakuierten Dampfkammer 3 angeordnet. Die Kondensationsoberfläche 10 ist so ausgewählt, daß sie eine hohe Festigkeit sowie hohe thermische Übertragungseigenschaften aufweist. Die Kondensationsfläche 10 kann daher aus einem Material wie beispielsweise Nickel oder dgl. hergestellt sein.

Dem Fachmann ist bekannt, daß der hydrostatische Druck an der Stelle, wo der Kühlmitteleinlaßkanal 6 endet und der Kühlmittelauslaßkanal 8 beginnt, proportional sowohl zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit U als auch der Radialabmessung R₁ ist (d.h.ω R₁^ gilt), da die Masse des Kühlmittels in den Kanälen 6 und 8 gleichmäßig entlang der Radialabmessung R. ver-

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teilt ist, wenn sich die Anoden um die Drehwellenachse herum verdreht. Der an der Spitze der Drehanode (d.h. am Ende der Targetoberfläche 4) auftretende hydrostatische Druck ist jedoch proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit ui und

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zur Radialabmessung (d.h. ω R_), da das Reservoir 14 im wesentliehen die gesamte Masse längs Abmessung R2 umfaßt, wenn sich die Anode 1 um die Achse der Drehwelle 20 verdreht. Infolgedessen steigt, anders als bei bekannten Drehanoden, der hydrostatische Druck an der Anodenzielfläche 4 linear (und nicht exponentiell) an, wenn die Radialdimension R„ des Drehanodenplattenglieds 17 vergrößert wird. Somit kann der Kupferring 2 einen relativ dünnen Querschnitt besitzen, um dadurch die Wärmeentfernung von dort zu erleichtern. Darüber hinaus kann eine erhöhte Elektronenstrahlleistung und Temperatur dadurch verarbeitet werden, daß man entweder den Durchmesser des Plattenglieds 17 oder die Rotationsgeschwindigkeit der Anode erhöht, ohne die Größe der Kondensationsoberfläche 10 zu vergrößern. Daher werden die Einschränkungen (beispielsweise reduzierte Anodenplattengröße und minimierte Targetoberflächentemperatur) ,hervorgerufen durch übermäßige hydrostatische Drücke, bei direkt wassergekühlten Drehanoden des Standes der Technik im wesentlichen eliminiert bei der erfindungsgemäßen Anode 1. Darüber hinaus wird im Falle eines unerwünschten Bruchs der Anodenzielflache 4 durch einen Elektronenstrahl nur eine sehr begrenzte Wassermenge aus der evakuierten Kammer 3 herauslaufen.

In Fig. 2 ist die Drehanode 1 in einer Vakuumkammer 28 positioniert. Eine geeignete Drehvakuumabdichtung 24 (beispielsweise eine Ferro-Fluidic- oder Eisen-Strömungsmittel-Abdichtung) trennt die Welle 20 der Drehanode 1 von den Wänden der Vakuumkammer 28. Die Welle 20 der Drehanode kann durch irgendeinen Wand- oder Direkt-Antriebsmotor 26 angetrieben werden. Eine geeignete Elektronenstrahlquelle 12 erstreckt sich ebenfalls durch die Wände der Vakuumkammer 28 und ist zur Bombardierung der Anodentargetoberfläche 4 mit einem Elektronenstrahl ausgerichtet. Die sich ergebenden Röntgenstrahlen, erzeugt an der Target- oder Zieloberfläche 4 der Drehanode 1, laufen durch ein geeignetes Röntgenstrahlenfenster

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in der Wand der Vakuumkammer 28.

Das Verfahren zur Optimierung des Wirkungsgrades,gemäß welchem die Drehanoden-Röntgenstrahlenquelle 1 der Fig. 1 gekühlt wird, sei nunmehr anhand der Fig. 2 beschrieben. Wärme wird von der Targetoberfläche 4 der Drehanode 1 durch Umwandlung einer Flüssigkeit (beispielsweise Wasser) in Dampf abgeführt. Im einzelnen fließt Wasserkühlmittel, das durch die Drehanodenwelle 20 über die Einlaß- und Auslaßkanäle 6 und 8 zirkuliert wird, an der Kondensationsoberfläche 1O vorbei und kühlt diese. Wie zuvor anhand von Fig. 1 offenbart, wird die Kondensationsoberfläche 10 zwischen dem Wass"erkühlmittel-Auslaßkanal 8 und der abgedichteten evakuierten Dampfkammer 3 des Drehanoden-Plattenglieds 17 angeordnet. Im Betrieb hat die Heizwirkung eines Elektronenstrahls, der auf die Drehanoden-Targetoberfläche 4 auftritt, die das Wasserreservoir 14 umgibt, die Erzeugung von Wasserdampf zur Folge, der in die evakuierte Dampfkammer 3 freigegeben wird. Wenn beispielsweise die Kondensationsoberfläche 10 ein Nickelring mit einer Dicke von 1/8 Zoll ist und die Temperatur des durch die Einlaß- und Auslaßkanäle 6 und 8 zirkulierenden Kühlmittels bei 20° C liegt, dann kann die Kondensationsoberfläche 10 benachbart zur Dampfkammer 3 eine Temperatur von annähernd 35°C für einen Betrieb bei 6 KW Eingangsleistung haben. Der in der Kammer 3 vorhandene Wasserdampf kondensiert sich auf der gekühlten Kondensationsoberfläche 10, wodurch die Wärme von der Zieloberfläche 4 über die Kondensationsoberfläche 10 und den Kühlmittelauslaßkanal 8 abgeleitet wird. Ein sich ergebender dünner Kondensatfilm wird längs der Kondensationsoberfläche 10 mittels der Zentrifugalkraft gepumpt. Es wurde festgestellt, daß der hydrostatische Druck der Kondensationsoberfläche iO,die mit 5000 Umdrehungen pro Minute rotiert, ein relativ niedriger Wert von 200 psi (engl. Pfund pro Quadratzoll) ist. Das Kondensat wird dadurch zum Wasserreservoir 14 zurückgebracht, um einen geschlossenen Zyklus oder Kreislauf für die Kühlung der Target-

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oberfläche 4 der Drehanoden-Röntgenstrahlenröhre 1 vorzusehen.

Wie der Fachmann erkennt, weist die evakuierte Dampfkammer 3, die in dem Drehanoden-Plattenglied 17 ausgebildet ist, ein dochtloses Heizrohr, welches an sich bekannt ist, auf, wie beispielsweise ein Thermosyphon oder einen Rückflußkondensator. Dieses Heizrohr leitet die Wärme von der Zieloberfläche 4 mittels Flüssigkeit zur Dampfphasenkühlung ab, und zwar unter Verwendung der Zentrifugalkraft, um das sich ergebende Kondensat zum Flüssigkeitsreservoir zurückzuführen.

Das beschriebene Flüssigkeit-zu-Dampfphasen-Kühlverfahren ist wesentlich effizienter als der bekannte direkte Wasserkühlprozess, da die Umwandlung von Wasser in Dampf eine grosse Energiemenge in der Form von Verdampfungswärme absorbieren kann. Darüber hinaus ist die zur Wärmeabführung verfügbare Fläche (d.h. die Kondensationsoberfläche) viele Male größer als die bei direkt wassergekühlten Systemen verwendete Fläche. Beispielsweise ist die zur Wärmeentfernung beim direkten Wasserkühlverfahren verfügbare Fläche typischerweise zwei- oder dreimal größer als das Gebiet der mit einem Elektronenstrahl bombardierten Zone. Ferner erzeugt beispielsweise der Elektronenstrahl im allgemeinen einen Punkt mit einer Größe in der Größenordnung von ungefähr 1 mm oder weniger im Durchmesser. Zusätzlich verbessert die zentrifugale Pumpwirkung der Drehanödenanordnung 1 den Transport des Kondensats längs der Zieloberfläche 4 der Anode, um so eine größere thermische Wärmeübertragung vorzusehen, als dies bei einer stationären Anordnung 1 der Fall wäre.

Der Wirkungsgrad, mit dem die Drehanode 1 gekühlt wird, kann durch Regulierung der Position gesteuert werden, wo der Elektronenstrahl auf die Zieloberfläche 4 auftritt. Beispielsweise ist eine erste Ziel- oder Targetposition A in Fig. 2 oberhalb der Oberseite des Reservoirs 14 angeordnet. Der dünne Film oder die Schicht aus Kondensat verdampft,wenn sie zentrifugal über die Targetoberfläche 4 gepumpt wird, da diese Ober-

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fläche durch das Vorhandensein eines Elektronenstrahls erhitzt wird. Für einen 6 Kilowatt-Elektronenstrahl und eine 12 Zoll-Durchmesser-Anode mit 50OO Umdrehungen pro Minute zeigte die Kondensatschicht, die bei Empfang des Strahls in Position A erzeugt wurde, eine Dicke von annähernd 3 Mikrometer und eine Geschwindigkeit von 99 cm/Sekunde. Wenn die erhitzte Zieloberfläche 4 eine Länge von annähernd 3 mm besitzt, so wird die Kondensatschicht schnell die Oberfläche 4 in annähernd 3 Millisekunden traversieren, so daß die vollständige Verdampfung der Schicht im allgemeinen nicht auftritt.

An der Target- oder Zielposition B trifft der Elektronenstrahl auf die Targetoberfläche 4 gerade unterhalb des Wasserniveaus des Reservoirs 14 auf. Diese Targetposition gestattet eine größere Verfügbarkeit von Wasser und eine erhöhte Zeit zur Umwandlung von Wasser in Dampf. Da der Dampf nahe der oberen Oberfläche des Wasserreservoirs 14 gebildet wird, kann der Dampf leicht in in die evakuierte Kammer 3 der Anode 1 entweichen.

Bei einer Zielposition C trifft der Elektronenstrahl auf die Zieloberfläche 4 nahe des Bodens des Reservoirs 14 auf. Wenn die oben erwähnte 12 Zoll Durchmesser-Anode sich mit 5000 Umdrehungen/Minute dreht, so beträgt die sich ergebende Zentrifugalbeschleunigung annähernd 4000 g. Die Zentrifugalbeschleunigung erzeugt eine Druckdifferenz von ungefähr 6 Atmosphären zwischen der Oberseite und dem Boden des Reservoirs (welches beispielsweise annähernd 1 cm hoch ist). Auf diese Weise siedet das Wasser am Boden des Reservoirs 14 nicht unmittelbar nach Erhitzung durch den Elektronenstrahl, sondern steigt konvektiv zur oberen Oberfläche hin an. Wenn jedoch dieses Wasser eine Stelle erreicht, wo der gesättigte Dampfdruck für die entsprechende Temperatur gleich dem hydrostatischen Druck ist, so fängt das Wasser an zu sieden. Die Vorteile der Auswahl der Zielposition C als Punkt für das Auftreffen des Elektronenstrahls bestehen darin, daß die Wasserdampfproduktion über ein wesentlich breiteres Gebiet hinweg erfolgt (als das durch Auswahl der Zielpositionen A oder B verfügbare) und das Sieden des Wassers fördert ein

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heftiges Aufrühren des Reservoirs 1 4, wodurch weiter die Wärmeübertragung gefördert wird. Nichtsdestoweniger kann die optimale Position für den Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf der Drehanodenzieloberfläche 4 durch Überwachung der Temperatur eines speziellen Zieloberflächen-Auftreffpunkts (beispielsweise mit einem punktfokussierten Pyrometer! unmittelbar vor der Aufbringung des Elektronenstrahls darauf überwacht werden. Dieser Auftreffpunkt auf der Zieloberfläche wird fast eine vollständige Umdrehung nach seiner anfänglichen Erwärmung erfahren, bevor er zurück in die wieder unter dem Elektronenstrahl zu erhitzende Position gelangt/ und es ist daher der kühlste Punkt auf dem Umfang der vorderen Stirnfläche des Anodenplattenglieds 17.

In Fig. 3 ist eine weitere Drehanoden-Röntgenstrahlenquelle 30 dargestellt, die das erfindungsgemäße Wärmeabführprinzip verwendet, bei dem die Wärme von der Anodenzieloberfläche durch Umwandlung von Wasserkühlmittel in Dampf abgeführt wird. Das zur Kühlung der Drehanode 30 der Fig. 3 verwendete Verfahren ähnelt dem der Fig. 1 und 2 mit der Ausnahme, daß - was im folgenden noch im einzelnen erläutert wird - die Drehanode 30 eine Kombination aus Strahlungskühlung als auch Flüssigkeit-zu-Dampfphasen-Kühlung verwendet/ um die Wärme von der Elektronenstrahlzieloberfläche abzuführen. Die Drehanode 30 weist eine sich verjüngende Scheibe oder ein plattenförmiges Glied 32 sowie ein langgestrecktes Drehwellenglied 33 damit verbunden auf. Die Elektronenstrahlzieloberfläche 34 weist einen Teil der vorderen Stirnfläche des Plattenglieds 32 auf. Die Anode 30 besitzt eine abgedichtete evakuierte Dampfkammer 36 innerhalb des Plattenglieds 32 ausgebildet, Die Dampfkammer 36 ist evakuiert und eine Flüssigkeitsmenge, wie beispielsweise Wasser oder dgl., wird danach über einen damit verbundenen (nicht gezeigten) Einlaßstopfen eingeführt. Das in die Kammer 36 eingeführte Wasser bildet ein Reservoir 38, welches benachbart zur Drehzieloberfläche 34 liegt. Die Drehung der Anodenwelle 33 wird durch einen geeigneten Motor

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erreicht, beispielsweise durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Der Motor 39 ist mit einem Ende der Drehwelle 33 verbunden. Ein optisches Fenster 40 ist in der den Motor 39 umschließenden Wand 41 ausgebildet. Das optische Fenster 40 wird zur Erzeugung einer optischen Rückkopplung zur Steuerung der Arbeitsweise des Motors 39 in üblicher Weise verwendet. Das zweite Ende der Drehwelle 33 ist mit einer planaren, rotierenden Kondensationsoberfläche 43 verbunden. Die Kondensationsoberfläche 4 3 ist benachbart zur Dampfkammer 36 positioniert und bildet ein gemeinsames Ende für eine Vielzahl von zylindrischen rotierenden Heizstrahlflossen 42 mit einem rechteckigen Querschnitt. Zur Aufrechterhaltung optimaler thermischer Übertragungseigenschaften können die Strahlungsflossen mit einem undurchsichtigen (beispielsweise schwarzen) Überzug ausgestattet sein. Abwechselnd und konzentrisch zwischen den Drehflossen oder Flächen 42 befindet sich eine entsprechende Vielzahl von zylindrischen stationären Flossen oder Flächen 44 ebenfalls mit rechteckigem Querschnitt. Die stationären Flächen 44 sind mit einer stationären wassergekühlten Platte 45 verbunden. Auf diese Weise erstrecken sich die Flossen oder Flächen 42 und 44 in einer im wesentlichen parallelen Ausrichtung mit der Welle 33 und in entgegengesetzten Richtungen bezüglich einander von den Oberflächen 43 bzw. 45 aus. Kühlmitteleinlaß- und Auslaß-Kanäle 46 und 48 sehen einen kontinuierlichen Pfad zum Zirkulieren von Wasser oder dergleichen durch die stationäre Platte 45 vor, um so die dorthin gelieferte Wärme abzuführen. Beispielsweise wird Wasserkühlmittel mit einer Anfangstemperatur von 20°C an den Kühlmitteleinlaßkanal 46 geliefert, während Wasser vom Auslaßkanal 4 8 typischerweise mit einer Temperatur von annähernd 40 C abgezogen wird. Die Drehwelle 33 ist vorzugsweise von der Motorwand 41 und der stationären Platte 45 mittels geeigneter Lager 4 9 getrennt.

Das Anodenplattenglied 32, die Drehwelle 33 und die Drehsowie stationäre Flossen 4 2 und 44 sind alle innerhalb einer Vakuumkammer 50 eingeschlossen. Darüber hinaus kann der Motor 39 auch in einer Vakuumkammer 51 betrieben werden, so daß sämtliche Drehwellendichtungen eliminiert sind, um so eine

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Anodenrotation mit hoher Drehzahl zu ermöglichen. Eine geeignete Elektronenstrahlquelle 52 erstreckt sich in die Vakuumkammer 50 hinein und ist zur Bombardierung der Anodenzielober fläche 34 mit einem Elektronenstrahl ausgerichtet. Die sich ergebenden an der Zieloberfläche 34 erzeugten Röntgenstrahlen laufen durch ein geeignetes Röntgenstrahlenfenster, welches in den Wänden 54 der Vakuumkammer 50 ausgebildet ist.

Das Verfahren zur Optimierung des Wirkungsgrades,durch welches die sich drehende Anoden-Röntgenstrahlenquelle 30 der Fig. 3 gekühlt wird, sei im folgenden beschrieben. Wie bei der Drehanode der Fig. 1 und 2, wird die Wärme von der Targetoberfläche 32 der Drehanode 30 durch Umwandlung einer Flüssigkeit (beispielsweise Wasser) in Dampf abgeführt. Im Betrieb hat die Heizwirkung eines auf die das Wasserreservoir 38 umgebende Drehanodenzieloberflache 34 auftreffende Elektronenstrahls die Erzeugung von Wasserdampf zur Folge, der in die evakuierte Dampfkammer freigegeben wird. Der in der Kammer vorhandene Wasserdampf kondensiert an der Rückoberfläche des Plattenglieds, das benachbart zur Kondensationsoberfläche 4 liegt, wodurch Wärme (in der Form von Dampf) von der Zieloberfläche 34 über die Kondensationsoberfläche 43 und die Drehflossen 42 abgeführt wird. Die Wärme wird von den Drehflossen 42 auf die stationären Flossen 44 mittels thermischer Strahlung übertragen. Die Wärme der stationären Flossen 44 wird zur stationären Platte 45 geleitet, und von dort über den Kühlmittelauslaßkanal 48 entfernt. Ein sich ergebender dünner Kondensatfilm oder eine Kondensatschicht innerhalb der Kammer 36 wird längs der inneren Rückenfläche des Drehanoden-Plattenglieds 32 mittels Zentrifugalkraft gepumpt. Das Kondensat wird dadurch zum Reservoir 38 zurückgebracht, um so einen geschlossenen Zyklus oder Kreislauf zur Kühlung der Targetoberfläche 34 der Drehanoden-Röntgenstrahlenquelle 30 vorzusehen.

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Der Fachmann erkennt, daß die im Drehanoden-Plattenglied 32 gebildete evakuierte Kammer 36 ein dochtloses Heizrohr ist. Dieses Heizrohr ist ähnlich dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten insoferne/ als Wärme von der Targetoberfläche 34 mittels der Flüssigkeit-zu-Dampfphasen-Kühlung abgeführt wird, wobei die Zentrifugalkraft das sich ergebende Kondensat zum Strömungsmittelreservoir zurückbringt. Die thermische Strahlung (anstelle direkter thermischer Leitung) tritt jedoch zwischen den Drehflossen 42 und stationären Flossen 44 auf, um schließlich die Wärme von der Kondensationsoberfläche 43 zur wassergekühlten Platte 45 zu transportieren. Dadurch, daß die Vakuumkammer 50 die Drehwelle 33 und die Flossen 42 und 44 umschließt, braucht die Kammer 50 keine Vakuumabdichtungen aufzuweisen, da kein Wasserkühlmittel darinnen geliefert wird.

Fig. 3a zeigt eine alternative Flossen- oder Flächenausbi-1-dung für die Drehflossen 42 und stationären Flossen 44 der Drehanode 30 der Fig. 3. Insbesondere können demgemäß anstelle rechteckiger Flossenquerschnitte die ineinandergreifenden zylindrischen Dreh- und stationären Anodenflossen 42-1 und 44-1 der Fig. 3a einen abgerundeten und verjüngten fingerartigen Querschnitt, wie gezeigt, besitzen, um dazwischen die Wärmeübertragung zu maximieren.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Drehanoden-Röntgenstrahlenquelle 60 sowie der zugehörigen Kühlmittel dargestellt. Die Drehanode 60 weist eine verjüngte Scheibe oder ein plattenförmiges Glied 62 auf, sowie eine sich longitudinal erstreckende zylindrische äußere Anodenwand 63, verbunden mit dem Plattenglied 62, und schließlich eine hohle Mitteldrehwelle 64 mit einem zugehörigen Nabenglied 65. Die Anode 60 weist ebenfalls eine Elektronenstrahlzieloberflache 66 auf, wobei diese Oberfläche einen Teil der vorderen Stirnfläche des Plattenglieds 62 aufweist. Geeignete Dochtmittel 67 sind an einem ersten Ende der Drehwelle 64 befestigt und benachbart zur Zieloberfläche 66 positioniert. Das Anodenplattenglied 62 ist innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet. Vakuumkammerwände 69 umgeben das Plattenglied 62

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derart, daß die ümgebungsverunrexnxgung an einer Beeinflussung des Anodenbetriebs gehindert wird. Die Vakuumkammerwände 69 sind von der äußeren Anodenwand 63 durch eine geeignete Drehvakuumdichtung 70 getrennt. Eine Elektronenstrahlquelle 72 erstreckt sich in die Vakuumkammer 68 hinein und ist zur Bombardierung der Anodentargetoberflache 66 mit einem Elektronenstrahl ausgerichtet. Die sich ergebenden Röntgenstrahlen, erzeugt an der Zieloberfläche 66, laufen durch ein geeignetes Röntgenstrahlenfenster in der Vakuumkammerwand

Eine Külilitiitteleinlaßleitung 74 erstreckt sich in eine Kühlmittelkammer 75, welche das zweite Ende der Welle 64 umgibt und benachbart zur Vakuumkammer 68 angeordnet ist. Die Wände 76 der Kühlmittelkammer 75 sind von der Wellennabe 6 5 durch eine geeignete Drehwasserdichtung 71 getrennt. Wie im folgenden im einzelnen offenbart, liefert die Einlaßleitung 74 eine Kühlmittelversorgung in die Kammer 75 zur Anlage an die Anodendochtmittel 67, und zwar mittels Kapillarwirkung. Das zv/eite Ende der Drehwelle 64 erstreckt sich durch die Kühlmittelkammer 75 und ist mit einer geeigneten Schaufelgasturbine 7 8 verbunden. Die Turbine 7 8 wird von einer Turbinenwand 80 eingeschlossen. Die Wände 69, 76 und 80 der Vakuumkammer 68, die Kühlmittelkammer 75 und die Turbine 78 sind jeweils vorzugsweise aus einem starken korrosionsbeständigen Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl oder dergleichen, hergestellt. Eine Auslaßleitung 82 erstreckt sich durch die Turbinenwand 80, um die Abströmung von der Turbine 78 wegzuleiten.

Das Verfahren zum Kühlen der Zieloberfläche 66 der Drehanoden-Röntgenstrahlenquelle 60 der Fig. 4 sei nunmehr im folgenden beschrieben. Ein flüssiges Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser oder dgl., wird in die Kühlmittelkammer 75 mittels Einlaßleitung 74 eingeführt. Das Kühlmittel kühlt die Wasserdichtung 71. Darüber hinaus fließt das Kühlmittel durch einen Kanal 77, der zwischen der Mittelwelle 64 und der Außenwand der Drehanode 60 geschaffen ist. Der Kanal 77 ist im wesentlichen zu einer Zumeßöffnung hin verjüngt, die zwischen den Dochtmitteln

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67 und benachbart zur Elektronenstrahlzieloberflache 66 ausgebildet ist. Daher sind die Dochtmittel 67 in der Lage, den Kanal 75 abzuschließen oder zu verstopfen und die Größe der Zumeßöffnung zu ändern, um dadurch die Kühlmittelströmungsrate in die Drehanode 60 zu regulieren.

Das Vorhandensein eines Elektronenstrahls am Scheibenglied 62 erhitzt sowohl die Targetoberfläche 6 6 als auch die benachbart angeordneten Dochtmittel 67. Infolge der angelegten Wärme fängt das Kühlmittel an von den Dochtmitteln 67 zu verdampfen. Wenn die Dochtmittel 67 austrocknen, so wird eine vergrößerte Kühlmittelversorgung durch den Kanal 77 von der Einlaßleitung 74 mittels Kapillarwirkung gezogen. Wenn daher keine Wärme an die Elektronenstrahl-Targetoberfläche 66 angelegt wird, so wird der Kühlmittelfluß durch die Anode 60 wesentlich reduziert, da die Dochtmittel 67 die Zumeßöffnung des Kanals 77 blockieren. Die an die Elektronenstrahlzieloberf lache 66 angelegte Wärme wandelt das Kühlmittel in der Zumeßöffnung des Kanals 77 in Dampf um. Die Umwandlung des flüssigen Kühlmittels in Dampf ergibt die Absorption großer Energiemengen in der Form latenter Verdampf ungs wärme. Auf diese Weise wird die an die Anodenzieloberfläche 66 angelegte Wärme von dort in der Form von Dampf entfernt und die Drehanode 60 wird wirkungsvoll gekühlt. Der innerhalb der Außenwand 6 3 der Anode 60 erzeugte Dampf wird durch Verdampfung durch die hohle Welle 64 gezwungen und somit gegen die Schaufeln der Turbine 78 geleitet. Die Turbine 78 wird zur Erzeugung der Rotation der Anodenwelle 64 angetrieben. Der Turbinenablaß wird mittels der Austrittsleitung 82 abgeführt.

Der Fachmann erkennt, daß das vorliegende Ausführungsbeispiel ein sich selbstregulierendes Drehanoden-Kühlsystem vorsieht. Das heißt, je mehr Wärme an der Elektronenstrahltargetoberflache 66 entwickelt wird, um so größer ist die in Dampf umgewandelte Kühlmittelmenge und demgemäß dreht sich die die Anodenwelle 64 antreibende Turbine 78 um so schneller.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

/ 1.j Drehanoden-Röntgenstrahlenquelle und Kühlvorrichtung dafür, wobei die Drehanode Anodenplattenmittel mit einer Elektronenstrahlzieloberflache sowie Wellenmittel aufweist, die mit den Anodenplattenmitteln zur Erzeugung von deren Drehung verbunden sind, gekennzeichnet durch

Kühlkanalmittel, ausgebildet in den Anodenplattenmitteln und sich darin in einer Radialrichtung von den Wellenmitteln erstreckend,

Kammermittel (3, 36), ausgebildet in den Anodenplattenmitteln und ein Flüssigkeitsreservoir darinnen enthaltend, und Kondensationsoberflächenmittel (10, 43), angeordnet zwischen den Kühlkanalmitteln und den Kammermitteln und geeignet zur Kühlung durch die Kühlkanalmittel, wobei das Kammermittel-Flüssigkeitsreservoir dann erhitzt wird, wenn ein Elektronenstrahl auf die Anodenplattentargetoberfläche auftrifft, um dadurch Dampf in die Kammermittel freizusetzen, wodurch die gekühlte Kondensationsoberfläche das Kondensieren des Dampfes darauf bewirkt und das Kondensat zentrifugal zurück zum Reservoir gepumpt wird, wenn die Anode sich dreht, und wobei die auf die Anodenplattenzieloberflache aufgebrachte Wärme über die Kondensationsoberfläche und die Kühlkanalmittel abgeführt wird.
2. Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet? daß die Kammermittel durch einen abgedichteten Dampfhohlraum gebildet werden, aus dem Luft entfernt ist.
3. Drehanode nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammermittel ein Wärmerohr aufweisen,wodurch Wärme,aufgebracht auf die Anodenplatten-Elektronenstrahltargetoberfläche>von dort durch Flüssigkeit-zu-Dampf-Phasenkühlung abgeführt wird, und wobei das Dampfkondensat, gebildet an der Kondensatoberfläche,zum Flüssigkeitsreservoir mittels Zentrifugalkraft zurückgebracht wird.

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4. Drehanode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitsreservoir der ι ammermittel benachbart zu der Anodenplattenelektronenstrahl-Zieloberfläche angeordnet ist.
5. Drehanode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenplattenmittel ein Flüssigkeitsventil mit einer zugehörigen Flüssigkeitsleitung aufweisen, welche das Ventil mit den Kammermitteln verbindet, wodurch Flüssigkeit den Kammermitteln hinzugefügt wird, um das Reservoir zu bilden.
6. Drehanode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kammermittel in der erwähnten einen Anodenplatte in einer Radialrichtung von der Welle aus erstrecken, und wobei die Radialerstreckung der Kammermittel in der Anodenplatte langer ist als die entsprechende Radialerstreckung des Kühlkanals in der Anodenplatte.
7 = Drehanode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsoberfläche aus Nickel hergestellt
8= Drehanoden-Röntgenstrahlenquelle und Kühlvorrichtung dafür? wobei die Drehanode Targetmittel mit einer Elektronenstrahlober fläche darauf aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Targetmittel ein Wärmerohr aufweisen mit einer Flüssigkeitsversorgung darin,

daß Wellenmittel mit den Targetmitteln zur Erzeugung einer Drehbewegung vorgesehen sind,

daß Kondensationsoberflächenmittel benachbart zu den Targetmitteln angeordnet sind und

daß schließlich Mittel zur Kühlung der Kondensationsoberflächenmittel vorhanden sind, wodurch die auf die Targetoder Zielmittel der Elektronenstrahlzieloberfläche aufge-

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ORIGINAL INSPECTED

brachte Wärme von dort durch Umwandlung der Wärmerohrflüssigkeit in Dampf abgeführt wird, so daß Dampfkondensat auf den Wänden des Wärme- oder Heizrohrs gebildet wird, um zur Wärmerohrflüssigkeitsversorgung durch Zentrifugalkraft rückgeführt zu werden, wenn die Targetmittel sich drehen, so daß Wärme in der Form von Dampf von der Targetoberfläche abgeführt wird, und zwar über die Kondensationsoberfläche und die Mittel zur Kühlung der Kondensationsoberfläche.
9. Drehanode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zielmittel-Wärmerohr eine Dampfkammer aufweist, aus der Luft entfernt ist.
10. Drehanode nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Kühlkanalmittel, die sich radial durch die Targetmittel erstrecken und benachbart zu der Kondensationsoberfläche angeordnet sind, um diese zu kühlen und Wärme von dem Targetmittelwärmerohr zu entfernen.
11. Drehanode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsoberfläche eine erste Vielzahl von daran befestigten Wärmestrahlflossen aufweist, und wobei die Wellenmittel mit der Kondensationsoberfläche in Verbindung stehen, um die Drehung der Kondensationsoberfläche und den Wärmestrahlflossen eine Drehung zu erteilen.
12. Drehanode nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Plattenmittel mit einer zweiten Vielzahl daran befestigter Flossen, die mit der ersten Vielzahl von Flossen ineinandergreifen, wodurch Wärme von der ersten Vielzahl von Flossen zu der zweiten Vielzahl von Flossen durch thermische Strahlung übertragen wird.

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13. Drehanode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenmittel einen Kanal aufweisen, um ein Kühlmittel durch die Plattenmittel zu zirkulieren, wodurch Wärme, die zu der zweiten Vielzahl von Flossen gestrahlt wurde, von dort über die Plattenmittel und die Kühlkanalmittel durch thermische Leitung entfernt wird.
14. Drehanode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenmittel und die zweite Vielzahl von Flossen in einer stationären Position bezüglich der Drehung der Kondensationsoberflächenmittel und der ersten Vielzahl von Flossen gehalten werden.
15. Drehanodenanordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Antriebsmittel zum Drehen der Welle, wobei die Antriebsmittel, die Zielmittel, die Kondensationsoberflächenmittel, die Plattenmittel und die ersten und zweiten Vielzahlen von Flossen oder Flächen sämtlich in einem Vakuum eingeschlossen sind.
16. Drehanodenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten und zweiten Vielzahlen von Flossen oder Flächen (42, 44) zylindrische Form aufweisen, und wobei die ersten und zweiten Vielzahlen der Flächen konzentrisch ineinandergreifen.
17. Drehanoden-Röntgenstrahlenquelle mit einem Elektronenstrahltarget und Mitteln zum Kühlen einer Targetoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Targetmittel eine Flüssigkeitsversorgung darinnen aufweisen, wodurch die auf die Targetoberfläche aufgebrachte Wärme die Verdampfung der Flüssigkeit in den Targetmitteln bewirkt, und wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um die Verdampfungswärme aus dem Target zu entfernen, so daß die Targetoberfläche durch Umwandlung der Flüssigkeit in Dampf gekühlt wird.

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18. Drehanode nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenstrahltarget ein abgedichtetes Wärmerohr aufweist, welches eine Flüssigkeitsversorgung enthält.
19. Drehanode nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehanode ebenfalls Wellenmittel aufweist positioniert innerhalb der Elektronenstrahltargetmittel und damit verbunden, um so eine Drehung der Targetmittel vorzusehen, und wobei an der Welle ein Docht mit einem Ende befestigt ist, wobei der Docht derart benachbart zu den Targetmitteln positioniert ist, daß die Targetoberfläche eine Zumeßöffnung dazwischen bildet.
20. Drehanode nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Turbinenmittel, verbunden mit dem zweiten Ende der Wellenmittel zu deren Antrieb.
21. Drehanode nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehanode ebenfalls einen Flüssigkeitskanal'aufweist, der mit einer Flüssigkeitsquelle verbunden ist und zwischen den Wellenmitteln und Targetmitteln ausgebildet ist, und wobei ferner der Flüssigkeitskanal dazu dient, um Flüssigkeit den Dochtmitteln zu liefern, und zwar durch Kapillarwirkung, wodurch die an die Targetoberfläche des Target angelegte Wärme die Verdampfung der Flüssigkeit von den benachbarten Dochtmitteln bewirkt.
22. Drehanode nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle hohl ist, und daß der an der Targetoberfläche der Targetmittel gebildete Dampf von dort über die hohle Welle entfernt wird, wodurch die Wärme von der Targetoberfläche der Targetmittel in der Form von Dampf abgezogen wird.

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