DE3644719C1

DE3644719C1 - Liquid-cooled X-ray rotating anode

Info

Publication number: DE3644719C1
Application number: DE3644719A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dr Ihringer
Original assignee: Individual
Current assignee: Ihringer Joerg Profdr 72076 Tuebingen De
Priority date: 1986-12-30
Filing date: 1986-12-30
Publication date: 1988-03-10

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Röntgendrehanoden mit hoher Dauerleistung, wie sie in der Struktur- und Werkstofforschung, aber auch in der medizinischen Diagnostik in Anwendung sind. Bei diesen Anlagen wird im Hochvakuum auf dem Brennfleck des Elektronenstrahls auf der Anode (ca. 1 * 10 mm²) durch den Elektronenbeschuß eine Wärmeleistung < 5kW abgegeben. Um unter diesen Bedingungen das Durchschmelzen des Anodenmantels zu verhindern, werden die Anoden als Scheiben oder Zylinder ausgebildet und mit 2000-10 000 Umdrehungen/Minute gedreht. Da im Dauerbetrieb aber auch bei Drehanoden die Kühlung der Anode durch Wärmeabstrahlung allein unzureichend ist, werden die Anoden wassergekühlt. Die Wasser Zu- und Abführung erfolgt in den bekannten Konstruktionen vom Außenraum durch die rotierende Hohlachse der Drehanode. Im Innern der Anode wird die Strömungsrichtung des Wassers durch ein Führungsblech an die Innenseite des Anodenmantels gerichtet und durch die Hohlachse wieder nach außen geführt. Die Achsen laufen deshalb durch hochvakuumfeste Dichtungen nach außen. Dabei stellt sich die Aufgabe, eine schnelldrehende Welle von Normaldruck auf 10^-6 Torr abzudichten.

Eine durchführungsfreie flüssigkeitsgekühlte Drehanode wurde 1957 von H. Szuba vorgeschlagen (DE-AS 10 53 105), allerdings erfolgt bei seiner Lösung die Wärmeübertragung von der Anode auf den Kühler durch Wärmestrahlung.

Als konstruktive Lösung für Hochvakuumdichtungen zur Durchführung der Anodenachse wurden ölbenetzte Simmeringe (Rigaku Denki co., LTD, Tokio, Japan) "Magnetic Fluid" Dichtungen US-PS 24 88 200, Dichtungen mit Hochvakuumfett in gekapseltenLagern DE-OS 27 48 069 und 27 24 732 und koaxiale Konstruktionen von Drehanode, Turbopumpe und Vorvakuumpumpe DE-OS 28 13 935 vorgeschlagen und teilweise verwirklicht.

Die bisher realisierbaren Lösungen erwiesen sich aber im Dauerbetrieb vor allem bei hohen Drehzahlen der Anoden als wartungsintensiv oder unzuverlässig und führten daher durch Undichtigkeit und dadurch bedingte Zusammenbrüche des Vakuums zu häufigen Ausfällen der Anlagen. Ein weiteres Problem der bestehenden Konstruktionen liegt darin, daß die Wasserdurchführung durch die Achse einen verhältnismäßig großen Achsquerschnitt erfordert und damit hohe Umfangsgeschwindigkeiten an der Dichtfläche oder Dichtlinie der Simmerringe auftreten, so daß die Lebensdauer der Dichtringe vermindert wird. Außerdem belastet die Wasserfüllung die Lager der Anode.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine Flüssigkeitskühlung ohne mechanische Drehdurch führung die Konstruktion der Drehanoden zu vereinfachen, um damit die Anzahl der Verschleißteile zu reduzieren, und das Vakuum in den Röhren zu verbessern. Dabei soll der Wärmeübergang von der Anode zur Kühlflüssigkeit hauptsächlich durch Wärmeleitung erfolgen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Drehanode nach Anspruch 1 gelöst.

Der Wärmeübergang von der rotierenden Anode zum Kühler erfolgt im Hochvakuum durch eine Flüssigkeit mit niederem Dampfdruck, wie z. B. Hochvakuumöl oder eine bei Zimmertemperatur flüssige Metallegierung, z. B. ein Ga-In Eutektikum mit 60-70% Gallium. Solche Legierungen wurden schon zur Schmierung von Gleitlagern im Hochvakuum für Drehanoden vorgeschlagen. Bei Beginn der Rotation der Anode wird die im Innenraum auf dem Boden der Anode befindliche Wärmeübertragungs-Flüssigkeit durch die Zentrifugalkraft zwischen die Innenseite der Anodenmantelfläche und die Außenseite der Mantelfläche des Kühlers gedrückt und überträgt die auf der rotierenden Anode erzeugte Wärme auf den feststehenden Kühler.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen vor allem darin, daß keine Durchführungen von bewegten Teilen vom Außenraum ins Hochvakuum benötigt werden. Dadurch wird ein gutes und stabiles Hochvakuum erreichbar, was die Lebensdauer der Glühkathode verlängert und die Anode vor Verschmutzung bewahrt. Darüber hinaus reduziert sich die Konstruktion der bewegten Teile auf eine Welle, die den Motorläufer und die Anode trägt. Die Lagerung der Welle kann an 2 Punkten nach dem Stand der Technik für Lagerungen im Hochvakuum erfolgen (evtl. magnetisch). Dabei ist zu bemerken, daß bei Verwendung einer Metallegierung als Wärmeüber tragungsmedium zwischen Anode und Kühler zur Lagerschmierung ein beliebiges, mit der Legierung nicht reagierendes Schmierfett oder Öl verwendet werden kann, weil der Lagerbereich von dem Hochvakuumbereich durch die Übertragungsflüssigkeit abgedichtet ist. Zur Kühlung des Festlagers ist seine Anordnung im Innern des Kühlers vorteilhaft.

Neben der einfachen Bauweise und dem verbesserten Vakuum ergeben sich aus der Erfindung außerdem konstante Betriebsbedingungen für die Anodenkühlung, weil die Strömung des Übertragungsmediums zwischen Kühler und Anodenmantel vom evtl. variierenden Druck des Kühlwassers unabhängig ist. Die Querschnitte der Wasserführung sind im Gegensatz zu den bekannten Hohlachs-Konstruktionen nicht durch Achsdurchmesser o. ä. beschränkt, so daß mit genügend hohem Wasserdurchsatz gearbeitet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung ( Fig. 1 und 2) dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Anode (1) aus einem nach der erwünschten charakteristischen Strahlung ausgesuchten Material, z. B. Kupfer, ist auf das untere Ende der Achse (3) geschraubt. Das untere, in der Innenseite des Kühlers befestigte Lager (4) ist das Festlager, während das Lager (5) als Loslager oben über die Achse gesteckt ist. Die von der Achse abziehbare Motorwicklung (13) ist über Nut und Keil mit der Achse verbunden. (14) zeigt den im Hochvakuum am Motorgehäuse befestigten Stator des Motors. Das Motorgehäuse (6) ist mit einer O-Ring Dichtung an den Kühler geflanscht. Auf der Oberseite des Kühlers (2) befinden sich Zu- (8) und Abfluß (9) für das Kühlwasser. Die Verbindung zwischen Kühlerkörper (2) und Grundplatte (7) ist mit einem O-Ring größeren Durchmessers abgedichtet.

Die Kathode (15) liegt im schematisch dargestellten Röhrengehäuse gegenüber der Mantelfläche der Anode.

Die Wärmeübertragungsflüssigkeit (1 a) wird vor dem Zusammenbau der Anode ins Innere der Anode, also in den Raum zwischen Anode und Kühlkörper eingefüllt.

Bei der Montage wird vor Befestigung des Kühlkörpers (2) an der Grundplatte (7) die Scheibe (11) mit Lippe und Falz (zum Schutz gegen Austritt der Übertragungsflüssigkeit bei Betrieb mit schiefliegender Achse) auf die Anode aufgeschraubt. Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel erlaubt ein müheloses Zerlegen der Anode zur Wartung des Motors oder der Lager.

Zur Erzeugung turbulenter Strömung und damit erhöhter Wärmeübertragung im Kontaktmedium kann die Mantelfläche des Kühlers mit Rillen, Rippen oder Stegen versehen werden.

Claims

1. Flüssigkeitsgekühlte Röntgendrehanode

a) mit einer in einem unter Hochvakuum stehenden Röhrengehäuse angeordneten Kathode und dieser gegenüberliegenden Drehanode (1),
b) bei der die durch den Elektronenstrom bei der Röntgenstrahlerzeugung auf der Drehanode (1) entstehende Wärme von der rotierenden Drehanode (1) auf einen feststehenden, von innen mit einer ersten Flüssigkeit gekühlten Kühler (2) abgeführt wird, so daß dadurch eine gekühlte Drehanode (1) ohne Drehdurchführung für ein Kühlmittel ins Hochvakuum gegeben ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

c) im Raum zwischen der rotierenden Drehanode (1) und dem feststehenden Kühler eine zweite Flüssigkeit (1 a) mit niederem Dampfdruck angeordnet ist, die die Wärme von der Drehanode (1) auf den Kühler (2) überträgt.

2. Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

d) die erste Flüssigkeit Wasser und die zweite Flüssigkeit eine bei Zimmertemperatur flüssige Metallegierung oder ein Hochvakuumöl ist.

3. Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

e) eine rotationssymmetrische Lippe (10) auf dem Kühler zusammen mit einem auf der Oberseite der Anode befindlichen Deckel (11) mit einer rotationssymmetrischen Falzung auch bei nicht vertikaler Achslage der Anode ein Auslaufen der zweiten Wärmeübertragungs-Flüssigkeit (1 a) beim Anhalten der Anode verhindert.

4. Drehanodenkonstruktion nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

f) durch die Formgebung des mit der Anode rotierenden Deckels (11) genügend Raum zur Aufnahme der zweiten Wärmeübertragungs-Flüssigkeit (1 a) vorhanden ist, damit beim Anhalten der Anode auch bei gegenüber Abb. 1 um 180° gedrehter, also nach oben gerichteter Anode, die Wärmeübertragungs-Flüssigkeit (1 a) gefaßt bleibt und beim Anlaufen durch die Zentrifugalkraft wieder in den Raum (12) zwischen Anodenmantel (1) und Kühler (2) fließt.