DE3910224C2 - Drehanoden-Röntgenröhre - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist die Röntgenröhre gemäß Patentanspruch 1.

Die DE 36 44 719 C1 betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Röntgendrehanode mit einer hohlen Drehanode, in der im Abstand davon ein stationärer Kühler angeordnet ist, der mittels einer ersten Flüssigkeit Wärme von der Drehanode abführt, wobei sich in dem Raum zwischen Drehanode und stationärem Kühler eine zweite Flüssigkeit mit geringem Dampfdruck befindet, die Wärme von der Drehanode auf den Kühler überträgt.

Die DE-OS 20 58 152 betrifft eine Drehanoden-Röntgenröhre mit einer hohlen Drehachse, in die nebeneinander liegende Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel ragen und die tar­ getseitig eine Erweiterung aufweist, die durch ein ge­ kühltes Endteil abgeschlossen ist, auf dem ein kappenför­ miges Anodenteil gleitend aufliegt.

Die DE-AS 10 53 105 betrifft eine Drehanoden-Röntgenröhre mit einer Hohlachse, auf der die Anode und ein ihr in ge­ ringem Abstand gegenüberliegender Kühlkörper zur Aufnahme der Wärme von der Anode angeordnet sind, wobei eine Kühl­ flüssigkeit an dem Kühlkörper vorbei und durch die Hohl­ achse geleitet wird.

Die DE-PS 6 03 896 betrifft eine Röntgenröhre, deren Anode aus einem feststehenden, gut wärmeleitenden Teil besteht, um welches sich das von den Elektronen getroffene Teil bei seiner Rotation dreht, wobei diese beiden Teile meh­ rere ineinandergreifende, rippenartige Vorsprünge aufwei­ sen, die, mit geringem Spiel gegeneinander bewegt, die auf der Anode entwickelte Wärme durch Strahlung auf das wärmeleitende Teil übertragen.

Hochleistungs-Röntgengeräte der Art, wie sie bei der medi­ zinischen Diagnostik oder der Röntgen-Kristallographie be­ nutzt werden, erfordern eine Anode, die relativ große Wär­ memengen abzuleiten in der Lage sein muß. Da die primäre Art der Wärmeableitung durch Abstrahlung von der Anode er­ folgt, führt eine Vergrößerung der abstrahlenden Oberfläche zu einer größeren Wärmeableitung. Durch Drehen der Anode wird dem von der Kathode emittierten Elektronenstrahl konti­ nuierlich eine frische Fläche der Brennspur präsentiert, und die während der Röntgenstrahlerzeugung anfallende Wärme kann vorteilhafterweise über einen größeren Bereich ver­ teilt werden. Die Anodenrotation gestattet daher ein Be­ treiben eines Röntgengerätes allgemein bei einer höheren Leistung als dies mit einem Gerät mit stationärer Anode möglich ist, und das Problem der Beeinträchtigung der Brenn­ spur, das bei Geräten mit stationärer Anode auftritt, wird vermieden, vorausgesetzt die Temperaturgrenzen des Brenn­ spurmaterials werden nicht überschritten.

Die erzeugte Wärmemenge und die in einem Röntgengerät auf­ tretenden Temperaturen können beträchtlich sein. Da weniger als 0,5% der Energie des Elektronenstrahles in Röntgenstrah­ len umgewandelt werden, während ein Hauptteil der übrigen Energie als Wärme anfällt, kann die mittlere Temperatur der Targetoberfläche bzw. der Brennspur der Drehanode 1200°C übersteigen, wobei die Spitzentemperaturen des heißen Flec­ kes noch beträchtlich höher sind. Die Verminderung dieser Temperaturen und die Abführung der Wärme ist kritisch für jede Leistungserhöhung. Die Möglichkeit, die erzeugte Wärme allein durch Anodenrotation abzuleiten, ist jedoch begrenzt. Obwohl daher ein Bedarf für immer leistungsfähigere Geräte besteht, seit die Drehanoden eingeführt wurden, hat sich die Entwicklung solcher Geräte verzögert.

Ein weiterer Nachteil der Geräte nach dem Stande der Technik ist deren begrenzte Lebensdauer, die teilweise durch die Fähigkeit bestimmt wird, Wärme abzuleiten. Da Röntgengeräte relativ teuer sein können, ergibt eine größere Lebensdauer beträchtliche Kostenersparnisse.

Bei einem Röntgengerät sind es in erster Linie die Lager, auf denen der Anodenschaft rotiert, die die Lebensdauer des Gerätes bestimmen. Die für eine Drehanode benutzten Lager werden üblicherweise innerhalb des evakuierten Glaskolbens angeordnet, um die Notwendigkeit für eine Rotations-Vakuum­ dichtung zu vermeiden. Die Anordnung des Lagers in diesem Vakuum erfordert jedoch die Anwendung eines speziellen Schmiermittels, z. B. eines Silberüberzuges, der auf dem La­ ger angeordnet wird, der selbst wärmeempfindlich sein kann. Die Temperatur des Lagers kann zeitweise 400°C übersteigen, hauptsächlich wegen der Wärmeleitung von der Anode durch den Schaft, auf dem sich diese dreht und dadurch in das La­ ger gelangen. Es wird so eine sehr warme feindliche Umge­ bung geschaffen, die rasch in einer Erosion des Lagers re­ sultieren kann, die zu einem Verschleiß bzw. einem Fest­ fressen des Schaftes und schließlich zum Versagen des Gerä­ tes führen kann.

Das richtige Kühlen, um das Lager des Röntgengerätes unter einer kritischen Temperatur von etwa 400°C zu halten, ver­ längert vorteilhaft die Lebensdauer des Lagers und somit des Gerätes selbst. Ein solches Kühlen ist darüber hinaus des­ halb erwünscht, weil es eine Erhöhung der Spitzen- und der mittleren Leistung über die bekannter Röntgengeräte gestat­ tet und somit die Möglichkeiten und die Brauchbarkeit sol­ cher Geräte über die derzeit üblichen hinaus steigert.

Die über die Zeit gemittelte Wärmeabgabe der Röntgenröhre, die in einem CT-Scanner benutzt wird, bestimmt den Patien­ tendurchsatz. Es wird angenommen, daß die erforderliche mitt­ lere Energieabgabe des gepulsten Elektronenstrahles 12 KW beträgt. Derzeitige CT-Scanner-Röhren leiten etwa 3 KW ab. Wird die Brennspur der Röntgenröhre überhitzt, wie dies der Fall sein wird, wenn man den Patientendurchsatz erhöht, dann muß die Zeit zwischen auf einanderfolgenden Nutzungen der Maschine verlängert werden, damit sich das Target ab­ kühlen kann. Eine Röntgenröhre mit größerer Wärmeabführung gestattet daher eine verbesserte Maschinennutzung.

Typisch für die Versuche nach dem Stande der Technik, Rönt­ genröhren zu kühlen, ist die US 44 55 504. Wie in dieser Patentschrift offenbart, erfolgt das fühlen durch Zirkulation eines Strömungsmittels durch das Innere der Anode in direktem Kontakt mit den inneren Oberflächen der Anode. Während ein solches System das Kühlen fördert, erfordert es die Anwen­ dung von rotierenden Strömungsmitteldichtungen. Da diese Dichtungen zum Lecken neigen, ist die Zuverlässigkeit eines solchen Gerätes gering, und es gibt keine Sicherheit, daß das Gerät ein solches Leck, wenn es auftritt, überlebt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Röntgenstrahlen erzeugendes Gerät zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte Röntgenröhre hoher Leistung zu schaffen, die eine größere nutzbare Lebensdauer aufweist, als die bisher erhältlichen Geräte dieser Art. Weiter soll die zu schaffende Röntgenröhre eine größere Wärmeabführungs­ geschwindigkeit haben, die einen kontinuierlichen Betrieb gestattet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch die Röntgenröhre nach Patentanspruch 1 gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Röntgengerätes nach dem Stande der Technik mit der vollständi­ gen festen Drehanode,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Röntgenröhre nach der vorliegenden Erfindung und

Fig. 3 eine teilweise weggeschnittene isometrische An­ sicht der hohlen Drehanode der vorliegenden Er­ findung.

Ein Röntgenstrahlen erzeugendes Gerät 11, wie es typisch ist für die Geräte nach dem Stande der Technik, die eine Drehanode benutzen, ist im Querschnitt in Fig. 1 darge­ stellt. Wie gezeigt umfaßt das Röntgengerät 11 einen evaku­ ierten Glaskolben 13, der eine scheibenförmige Drehanode 21 einschließt. Die Anode 21 hat eine ringförmige Target­ oberfläche bzw. Brennspur 23 an der Peripherie der Vorder­ wand, wobei die genannte Peripherie in einem leichten Win­ kel bezüglich der Vorderwand verläuft. Die ringförmige Targetoberfläche besteht aus einer Wolfram-Legierung, die auf einem Rad angeordnet ist, das aus Graphit oder Molybdän besteht. Im Glaskolben 13 ist weiter eine Kathode 27 ange­ ordnet. Die Lage der Kathode mit Bezug auf die Anode 21 ist derart, daß der Elektronenstrahl dazwischen im wesent­ lichen parallel zur Rotationsachse 29 der Anode verläuft. Die Anode 21 ist an einem Schaft 19 befestigt, der drehbar gelagert (25) ist. Anode und Schaft rotieren um die Achse 29 als Ergebnis der elektromagnetischen Wechselwirkung zwi­ schen einem Stator 15 und einem Rotor 17, wobei der letzte­ re am Schaft 19 befestigt ist.

Ein kleiner Bruchteil der Energie des Elektronenstrahles, der auf das Target auftrifft, wird in Röntgenstrahlen umge­ wandelt. Die Röntgenstrahlen verlassen die Röhre durch den Glaskolben. Die übrige Energie wird zu Wärme, die vom Tar­ get abgestrahlt und vom Glaskolben und vom Kühlöl absor­ biert wird, das über die äußere Oberfläche des Glaskolbens strömt, der in einem äußeren Gehäuse 31 enthalten ist. Das Kühlöl transportiert die Wärme zu einem nicht dargestellten Wärmeaustauscher.

In den Fig. 2 und 3, in denen gleiche Elemente mit glei­ chen Bezugsziffern versehen sind, ist eine Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der besseren Über­ sichtlichkeit halber sind Merkmale, die nicht zur Erfin­ dung gehören, wie die in Fig. 1 zum Drehen der Anode ge­ zeigte Ausrüstung, weggelassen worden. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Röntgenröhre, bei der ein evakuierter Kolben 35 eine hohle Drehanode 37 einschließt. Die Anode 37 umfaßt einen hohlen scheibenförmigen Abschnitt 39, der aus einem Material hoher Leitfähigkeit hergestellt ist, der hohe Temperaturen aushält, wie Molybdän. Der scheibenförmi­ ge Abschnitt ist, z. B. durch Hartlöten, an einem ersten Rohr 41 befestigt, das sich axial von der Scheibe aus er­ streckt. Das erste Rohr kann ein hochfestes Material umfas­ sen, wie korrosionsbeständigen Stahl. Der scheibenförmige Abschnitt 39 hat einen abgeschrägten Rand 43 auf der Vorder­ fläche, die die äußere Fläche der Scheibe und vom Rohr 41 abgewandt ist. Der abgeschrägte Randteil ist mit einer Brennspur aus Wolfram-Rhenium bedeckt, die als Target dient. Eine symbolisch dargestellte Kathode 45 erzeugt einen hoch-energiereichen Elektronenstrahl kleinen Durchmessers, der auf den rotierenden Rand der Scheibe auftrifft und einen Teil der Energie in Röntgenstrahlen umwandelt, die durch ein Quarzfenster 47 das evakuierbare Gehäuse verlas­ sen. Konzentrisch innerhalb der hohlen Drehanode ist ein stationärer Einsatz 51 angeordnet, der einen scheibenförmi­ gen Abschnitt 53 und zwei Rohre 55 und 57 aufweist. Das Rohr 55 ist innerhalb des Rohres 57 angeordnet und beide sind an dem scheibenförmigen Abschnitt 53 befestigt und er­ strecken sich axial von dort. Der stationäre Scheibenab­ schnitt 53 und das Rohr 57 haben einen Abstand vom Scheiben­ abschnitt 39 und Rohr 41 der Drehanode. Die Anode ist dreh­ bar um den Einsatz herum auf Lagern 61 montiert, die sich zwischen den Rohren 55 und 57 befinden. Die Lager 61 kön­ nen mit einem Silberüberzug versehen sein, um eine Troc­ kenschmierung für den Vakuumbetrieb aufzuweisen. Der Raum zwischen den scheibenförmigen Abschnitten 39 und 53 und den Rohren 55 und 57 steht in Strömungsverbindung mit dem Inneren des evakuierbaren Kolbens 35, so daß bei evakuier­ tem Kolben die Anode 37 vollkommen im Vakuum rotiert. Auch die Lager 61 befinden sich in dem evakuierten Raum.

Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, definiert der stationäre Scheibenabschnitt 53 einen Durchgang in der Strömungsver­ bindung mit dem Inneren des Rohres 55, der sich zum Zentrum der Scheibe unmittelbar unter der Oberfläche der Vorder­ seite der Scheibe erstreckt. Der zentrale Durchgang unter der Scheibenoberfläche verbindet mit einer Vielzahl sich radial erstreckender Kanäle 63, die sich unter der Vorder­ fläche der Scheibe gegen den Scheibenumfang in einen Lei­ tungsbereich unter der Einsatzscheiben-Peripherie erstrec­ ken und dann unter der Oberfläche des Rückens der Scheibe durch radiale Kanäle sich fortsetzen, um mit dem Ringdurch­ gang zu verbinden, der zwischen den Rohren 55 und 57 gebil­ det wird.

Das evakuierbare Gehäuse 35 ist am Äußeren des Rohres 57 befestigt. Ein Gehäuse 65 umgibt das evakuierbare Gehäuse und weist davon einen Abstand auf sowie einen Einlaß und einen Auslaß für die Einführung und die Entfernung eines dielektrischen Kühlströmungsmittels. Ein Quarzfenster 67 im Gehäuse, das mit dem Quarzfenster 47 im Gehäuse 35 aus­ gerichtet ist, gestattet das Austreten der Röntgenstrahlen aus der Röhre. Der stationäre Einsatz kann aus korrosions­ beständigem Stahl hergestellt werden, was auch für den eva­ kuierten Kolben 35 und das Gehäuse 65 zutrifft.

Im Betrieb trifft der Elektronenstrahl von der Kathode 45 auf die Drehanode 37 auf und erzeugt Röntgenstrahlen, die durch die Quarzfenster 47 und 67 austreten. Der auftretende Elektronenstrahl verursacht eine Erwärmung der Anode 37. Diese Wärme wird vom Drehtarget durch Strahlung über den Vakuumspalt, der das Innere und Äußere der Drehanode umgibt, übertragen. Die Wärme wird von der Vorder- und Rückseite des scheibenförmigen Abschnittes 39 zum Kolben 35 und von den inneren Oberflächen der Drehscheibe zum stationären scheibenförmigen Abschnitt 53 darin übertragen. Um die Strahlungswärmeübertragung zu unterstützen, ist ein Überzug mit hoher Emissionsfähigkeit bei erhöhten Temperaturen auf der Nichttarget-Oberfläche des scheibenförmigen Abschnittes 39 und ein Überzug hoher Absorptionsfähigkeit auf dem Äuße­ ren des scheibenförmigen Abschnittes der stationären Schei­ be angeordnet. Zusätzlich können die beiden abstrahlenden inneren Oberflächen mit geeigneten Enden versehen werden, um die Wärmeübertragung zwischen beiden zu erhöhen. Der stationäre scheibenförmige Abschnitt wird durch erzwungene Konvektion mit einer dielektrischen Flüssigkeit gekühlt. Die Kanäle in den Durchgängen im Einsatz erhöhen die Wärme­ leitung zwischen dem stationären scheibenförmigen Abschnitt und der Kühlflüssigkeit. Für eine laminare Strömung in be­ grenzten Kanälen variiert der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen der zu kühlenden Oberfläche und der Flüssigkeit umgekehrt mit der Kanalweite, was mikroskopische Kanäle erwünscht macht. Die Viskosität des Kühlmittels bestimmt die praktikable Minimalweite des Kanals. Kanalquerschnitte mit hohen Aspekt- bzw. Seitenverhältnissen vermindern wei­ ter den thermischen Widerstand (siehe den Artikel "High-Performance Heat Sinking for VLSI" von D.B. Tuckerman und R.F.W. Pease in "IEEE Electron Device Letters", Band EDL-2, No. 5, Mai 1981). Die Richtung der Kühlmittelströmung zeigt den Eintritt in das Rohr 55, das Vorbeiströmen an den La­ gern 61, das radiale nach außen strömen durch die Kanäle unter der Vorderfläche der stationären Scheibe in den Lei­ tungsbereich. Dann setzt sich die Strömung durch die Kanäle unter der rückwärtigen Fläche des stationären Scheibenab­ schnittes zu dem Ring hin fort, der durch die Rohre 55 und 57 gebildet wird. Die Strömungsrichtung könnte alternativ umgekehrt werden, wobei das Strömungsmittel dem zwischen den Rohren 55 und 57 gebildeten Ringkörper zugeleitet wird und das Strömungsmittel nach dem Zirkulieren durch den stationären scheibenförmigen Abschnitt aus dem Inneren des Rohres 55 austritt.

Gemäß Berechnungen können im Mittel 12 KW Wärme von einer Röntgenröhre abgeführt werden, die eine Anode mit einem Durchmesser von etwa 10 cm aufweist, wenn man Kolben und stationären Einsatz mit einer dielektrischen Flüssigkeit kühlt. Der Einsatz hatte bei der Berechnung 168 schräge Kanäle unter jeder der Einsatzflächen. Die Kanäle erstreck­ ten sich über einen Durchmesser von etwa 1,25 cm bis zu etwa 6,25 cm, wobei Kanäle mit einem Querschnitt von 12 × 150 tausendstel Zoll im Mittelteil sich erweiterten auf 52 × 200 tausendstel Zoll an der Peripherie und die größere Abmessung des rechteckigen Kanales senkrecht zur Einsatzfläche verlaufend. Die erforderliche Strömungsge­ schwindigkeit beträgt etwa 72 l/min bei 4 bar durch den stationären Einsatz, wobei eine Flüssigkeit mit hoher Durchschlagsfestigkeit und thermischer Stabilität bei er­ höhten Temperaturen benutzt wird, wie z. B. ein perfluorierter Fluorkohlenwasserstoff. Ein größerer Anodendurch­ messer gestattet einen größeren stationären Einsatz und erleichtert die Targetkühlung.

Es wurde eine Röntgenstrahlen erzeugende Vorrichtung be­ schrieben, die eine größere Wärmeabführungsgeschwindigkeit hat und keine rotierenden Vakuumdichtungen erfordert.

Claims (2)

1. Röntgenröhre mit
einer hohlen Drehanode (37) die einen hohlen scheibenförmigen Abschnitt (39) mit einer ringförmigen Brennspur (45) einschließt, wobei der scheibenförmige Abschnitt (39) an einem ersten Rohr (41) befestigt ist, das sich axial vom scheibenförmigen Abschnitt (39) aus er­ streckt, und wobei das Innere des hohlen, scheibenförmigen Abschnitts (39) und das Innere des ersten Rohres (41) in Strömungsverbindung miteinander stehen,
einem stationären Einsatz (51) mit einem statio­ nären Scheibenabschnitt (53), der innerhalb des hohlen, scheibenförmigen Abschnittes (39) der Anode im Abstand davon angeordnet ist, wobei der stationäre Einsatz (51) weiter ein zweites (57) und ein drittes Rohr (55) aufweist, die beide an dem stationären Scheibenabschnitt (53) befestigt sind und sich koaxial davon erstrecken, wobei das zweite Rohr (57) einen Abstand von dem ersten Rohr (41) aufweist und von diesem umgeben wird, und das dritte Rohr (55) einen Abstand vom zweiten Rohr (57) hat und von diesem umgeben wird, der stationäre Scheibenabschnitt (53) einen Durchgang (63) in Strömungsverbindung mit dem Inneren des dritten Rohres (55) an einem Ende definiert, der sich unter die Oberfläche des stationären Scheibenabschnittes (53) und in Strömungsverbindung mit dem ringförmigen Raum, der zwi­ schen dem zweiten (57) und dritten Rohr (55) gebildet wird, am anderen Ende erstreckt,
wobei dieser Durchgang im stationären Scheiben­ abschnitt (53) eine Vielzahl von Kanälen (63) an seiner Oberfläche umfaßt, die sich vom Mittelabschnitt des Schei­ benabschnittes (53) zur Peripherie hin erstrecken,
einer Lagereinrichtung (61), um das erste Rohr (41) drehbar auf dem zweiten Rohr (57) zu montieren,
einer Kathodeneinrichtung (45), die auf die ringförmige Brennspur (43) gerichtet ist, um einen Elek­ tronenstrahl zu erzeugen und
einer Vakuumhülle (65), die die hohle Drehanode (37) und die Kathodeneinrichtung (45) einschließt, wobei das Innere der hohlen Drehanode (37) in Strömungsverbindung mit dem Inneren der Vakuumhülle (65) steht.

2. Röntgenröhre nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf beiden Hauptflächen der stationären Scheibe (53) eine Vielzahl von Kanälen (63) an ihren Oberflächen vom Mittelabschnitt zur Peripherie hin erstreckt, die in Strömungsverbindung mit­ einander stehen.