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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf die Technik von Röntgenröhren.
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Sie findet besondere Anwendung im
Zusammenhang mit Hochleistungsröntgenröhren mit
rotierender Anode, wie sie in CT-Scannern verwendet werden, und
wird mit besonderer Verweisung darauf beschrieben. Es wird jedoch
davon ausgegangen, dass die Erfindung auch in Drehanodenröntgenröhren mit
niedriger Leistung, in Drehkathodenröntgenröhren und Ähnlichem Anwendung findet.
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Typischerweise enthalten Drehanodenröntgenröhren eine
evakuierte Umhüllung,
die die Anode und Kathode festhält.
Eine scheibenartige Anode und eine längliche zentrale Welle sind
drehbar in einem Satz schmierfettfreier Lagerungen innerhalb des
Vakuums angebracht.
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Eine zwischen der rotierenden Anode
und einer gegenüber
aufgestellten Kathode angelegte Hochspannung bewirkt, dass von der
Kathode emittierte Elektronen auf die Anode treffen und Röntgenstrahlen
erzeugen. Diese Elektronen fließen
durch die metallische Anode, ihre zentrale Welle und die metallischen
Lager bis zur Erde. Da dieser Strom von der Laufrille des rotierenden
Lagers durch die rollende Grenzfläche zu den Lagerkugeln oder
Rollen und durch die weitere Grenzfläche zwischen den Kugeln und
Rollen zur Laufrille des stationären
Lagers fließt, besteht
eine Neigung zur Bogenformung. Während der
Bogenformung wird eine geringe Menge Material von einer Oberfläche zu einer
anderen übertragen, was
eine Vertiefung und einen Klumpen oder andere Oberflächenunregelmäßigkeiten
verursacht. Da Oberflächenunregelmäßigkeiten
im Lager die Laufrille berühren
und da Oberflächenunregelmäßigkeiten in
der Laufrille das Lager oder die Rolle berühren, werden die glatten polierten
Oberflächen
beschädigt. Außerdem bewirken
die Oberflächenunregelmäßigkeiten
eine Wobbelung in den Lagern. Die Wobbelung bewirkt nicht nur eine
unerwünschte
Wobbelung in der rotierenden Anode, sondern erhöht auch die Wahrscheinlichkeit
für weitere
Bogenformung in den Lagern. Natürlich
bewirkt weitere Bogenformung weitere Oberflächenunregelmäßigkeiten,
die ein Versagen der Lager und der Röntgenröhre beschleunigen.
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Es ist ein elektrisch leitender Pfad
zwischen der drehbaren Anode einer Röntgenröhre und dem Äußeren der
evakuierten Umhüllung,
in der sie dreht, vorgeschlagen worden. So wird in EP-A-0 360 654 die
drehbare Anode durch Magnete gelagert und eine Kugel, die als Axiallager
zur Stabilisierung der drehbaren Anode verwendet wird, sorgt auch
für den
leitenden Pfad. In EP-A-0 665 574 wird die Anode mit Wasser, das
durch einen hohlen Stutzen geleitet wird, wassergekühlt und
gibt es, um eine Abdichtung gegen das Kühlwasser zu verschaffen, einen
Ring, der federnd in unmittelbaren Kontakt mit dem anderen Ring
gedrückt
wird, wobei die Ringe in gleitendem Kontakt miteinander sind, wenn
beim Gebrauch einer gegen den anderen rotiert. Die Ringe sorgen auch
für den
elektrisch leitenden Pfad.
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Die Erfindung verschafft eine Röntgenröhre mit
einer evakuierten Umhüllung,
einer Anode und einer Kathode, die innerhalb der evakuierten Umhüllung aufgestellt
ist, wobei eine der Elektroden nicht drehbar an der evakuierten
Unhüllung
angebracht ist und die andere Elektrode relativ zu der evakuierten Umhüllung drehbar
angebracht ist, und mit einem elektrisch leitenden Pfad zwischen
der drehbar angebrachten Elektrode und dem Äußeren der evakuierten Umhüllung, die
zumindest eine rollende Ringgesamtheit enthält, die einen Ring aufweist,
der so gelagert ist, dass er zwischen der evakuierten Umhüllung und
der drehbar montierten Elektrode oder einem damit verbundenen Glied
rollt.
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Die Erfindung verschafft auch ein
Verfahren zum Erzeugen von Röntgenstrahlen
mit einer Röntgenröhre, die
eine Kathode und eine Anode in einer evakuierten Umhüllung enthält, wobei
eine der Elektroden relativ zu der evakuierten Umhüllung drehbar angebracht
ist, bei dem ein Elektronenstrom mit genügender Energie von der Kathode
zur Anode getrieben wird, um an der Anode, wo der Strom auf die
Anode trifft, Röntgenstrahlen
zu erzeugen, wobei das Verfahren den Schritt des Durchlassens von
elektrischem Strom durch einen Ring enthält, der so gelagert ist, dass
er zwischen der evakuierten Umhüllung und
der drehbar angebrachten Elektrode rollt.
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Gemäß der Erfindung wird der elektrisch
leitende Pfad durch eine rollende Ringgesamtheit verschafft.
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Gemäß einem begrenzteren Aspekt
der vorliegenden Erfindung enthält
die rollende Ringgesamtheit eine von der drehbar angebrachten Elektrode oder
von einem damit verbundenen Glied unterstützte Bahn, eine mit der evakuierten
Umhüllung
verbundene Bahn und einen zwischen den Bahnen rollend unterstützten metallischen
Ring.
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Gemäß einem anderen begrenzteren
Aspekt der Erfindung ist die an der evakuierten Umhüllung angebrachte
Anode mit dieser relativ zur Kathode drehbar.
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Gemäß einem anderen begrenzteren
Aspekt der Erfindung ist die Anode relativ zur Kathode und der evakuierten
Umhüllung,
an der die Kathode angebracht ist, drehbar. Eine Motorgesamtheit
zum Drehen der Anode kann innerhalb der evakuierten Umhüllung vorgesehen
sein.
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Röntgenröhren und
ein Verfahren zum Erzeugen von Röntgenstrahlung
gemäß der Erfindung sind
in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht einer Röntgenröhre;
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2 eine
vergrößerte Querschnittsansicht der
Röntgenröhre von 1;
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3 eine
Schnittansicht durch den Abschnitt III-III von 1;
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4 eine
Querschnittsansicht einer anderen Röntgenröhre und
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5 eine
Querschnittsansicht einer weiteren Röntgenröhre.
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Mit Bezug auf 1 und 2 hat
eine Röntgenröhre 10 eine
evakuierte Umhüllung 12,
die eine Kathode 14 und eine Anode 16 aufnimmt.
Die Anode 16 ist mit einer zentralen verlängerten
Metallwelle 18 verbunden. Die zentrale Welle ist drehbar
in einem Satz aus Lagern gelagert, der ein oberes schmierfettfreies
Kugel- oder Rollenlager 20 und ein unteres Kugel- oder
Rollenlager 22 enthält.
Jedes Lager enthält eine
rotierende Laufrille, die an der zentralen Welle befestigt ist und
mit dieser rotiert, und eine stationäre, äußere Laufrille, die an der
evakuierten Umhüllung 12 angebracht
ist. Zwischen den Laufrillen sind ein Ring aus Kugeln oder Rollen
angebracht.
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Ein Induktionsmotor dreht die Anode 16.
Insbesondere ist eine Statorspule 24 stationär außerhalb
der evakuierten Umhüllung 12 angebracht
und eine Rotorspule 26 ist an der zentralen Welle 18 innerhalb
der evakuierten Umhüllung 12 angebracht. Natürlich können auch
andere Typen von Motoren in Betracht gezogen werden.
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Die Kathode 14 enthält einen
Kathodenglühfaden 30,
durch den ein Heiz- oder
Glühfadenstrom geführt wird.
Dieser Strom heizt den Glühfaden 30 ausreichend
auf, sodass eine Elektronenwolke emittiert wird, d. h. dass thermionische
Emission auftritt. Zwischen der Kathode 14 und der Anode 16 wird
ein hohes Potential angelegt, typischerweise in der Größenordnung
von 100 bis 200 kV. Dieses Potential bewirkt einen Röhrenstrom
aus Elektronen 32, der von der Kathode 14 zur
Anode 16 fließt.
Das Elektronenbündel
32 trifft auf eine kleine Fläche
oder einen Brennfleck 34 auf einer peripheren Bahn der
Anode 16 mit so viel Energie, dass Röntgenstrahlen 36 erzeugt
werden und als Nebenprodukt eine extreme Wärme erzeugt wird.
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Die Anode 16 wird bei hoher
Geschwindigkeit gedreht (z. B. 3000 bis 10000 Umdrehungen pro Minute),
sodass das Elektronenstrahlenbündel
nicht lange genug am Brennfleck 34 verweilt, um eine thermische
Verformung zu bewirken. Der Durchmesser der Anode 16 ist
so groß,
dass bei einer einzigen Umdrehung jeder Fleck auf der Anode 16,
der von dem Elektronenstrahlenbündel 32 erhitzt
worden war, nahezu abgekühlt
ist, bevor er zurückkehrt,
um wiederum von dem Elektronenstrahlenbündel erwärmt zu werden. Anoden mit größerem Durchmesser
haben größere Umfänge und
erlauben damit eine größere Wärmebelastung.
Typischerweise liegen Anodendurchmesser im Bereich zwischen 7,5
cm und 17,5 cm.
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Nach dem Auftreffen auf die Anode 16 fließen die
Elektronen durch die Anode 16, die zentrale Welle 18 und
eine elektrische rollende Ringverbindung 40, bevor sie
die Erde erreichen.
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Weiterhin mit Bezug auf 1 und 2 und zudem mit Bezug auf 3 enthält die rollende Ringgesamtheit
eine stationäre
Laufrille 42, die um eine Innenfläche der evakuierten Umhüllung 12 verläuft. Eine
entsprechende Laufrille 44 ist in die zentrale Welle 18 eingeschnitten
oder lagert auf dieser. Eine kreisförmige Schleife oder ein Ring 46 aus
leitendem Federmaterial ist leicht zusammengedrückt zwischen den Laufrillen 42 und 44 angebracht.
Die Verformung des Ringes 46 zwingt den Ring in einen festen
Reibkontakt mit beiden Laufrillen, um dazwischen eine bogenfreie
elektrische Verbindung zu verschaffen. Die Kompression ist genügend groß, sodass
der rollende Ring jede geringfügige
Oberflächenoxidation durchschneidet,
die sich bilden kann, und noch genügend klein, sodass sie nicht
bewirkt, dass die zentrale Welle 18 oder die Anode 16 kippt.
Wenn die innere Laufrille 44 rotiert, bewirkt eine feste
Reibverbindung mit dem rollenden Ring 46, dass der Ring
rotiert, ohne zu gleiten. In gleicher Weise bewirkt ein fester Reibkontakt
zwischen dem Ring und der äußeren Laufrille,
dass der Ring relativ dazu rotiert. Wegen der verschiedenen Weglängen der
inneren und äußeren Laufrille
wandert der Ring während
der Drehung um die zentrale Welle.
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Mit Bezug auf 4 kann die rollende Ringgesamtheit 40 nahezu überall zwischen
der Anode 16 oder der Welle 18 und einer Laufrille
oder Bahn auf der Umhüllung 12 aufgestellt
werden. Bei der in 4 erläuterten
Ausführungsform
ist ein Metallflansch 50 mit einer rotierenden Laufrille
oder Bahn 52 um die Anode 16 herum verbunden.
Eine stationäre
Bahn oder Laufrille 54 verläuft um die evakuierte Umhüllung 12 herum.
Zur elektrischen Redundanz und um zusätzliche Wärmepfade von der Anode aus zu
verschaffen, um die Kühlung
zu beschleunigen, können
optional eine oder mehrere zusätzliche
rollende Ringgesamtheiten 56 vorgesehen werden.
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Mit Bezug auf 5 sind in einigen Hochleistungsröntgenröhren die
Anode 16' und
die evakuierte Umhüllung 12' fest miteinander
verbunden und rotieren gemeinsam. Bei dieser Anordnung kann Kühlflüssigkeit
direkt zur Rückseite
der Anode zugeführt werden.
Eine Anodengesamtheit 14' ist
an der evakuierten Umhüllung
mittels einer Lagergesamtheit 20' drehbar angebracht. An der Kathodengesamtheit angebrachte
Magnete 60 und außerhalb
der rotierenden evakuierten Umhüllung
stationär
angebrachte Magnete 58 halten die Kathodengesamtheit 14' stationär, wenn
die evakuierte Umhüllung 12' rotiert. Eine Vielzahl
von rollenden Ringgesamtheiten 40'
1, 40'2 , 40'3 ,
... verschaffen eine elektrische Durchverbindung zwischen der stationären Kathodengesamtheit 14' und der rotierenden
evakuierten Umhüllung 12'. Jede Kathodengesamtheit
enthält
eine äußere Laufrille 42', die an der
evakuierten Umhüllung 12' angebracht
ist. Elektrische Verdrahtung verläuft von der äußeren Laufrille 42' durch die evakuierte
Umhüllung 12' hindurch. Auch
sind zwei Schleifringe, weitere rollende Ringgesamtheiten oder geeignete
Verbindungen vorgesehen, um zwischen den Zuführungen, die sich von der rotierenden
evakuierten Umhüllung
und der stationären
elektronischen Steuerschaltung (nicht abgebildet) aus erstrecken,
eine elektrische Verbindung herzustellen. Zwischen jeder äußeren Laufrille 42' und einer inneren
Laufrille 44' sind
rotierende Ringe 46'1 , 46'2 , ...
aus leicht komprimiertem Kupfer oder anderen leitenden Materialien
angebracht.
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Bei der Ausführungsform von 5 sind die inneren Laufrillen aus rollenden
Ringgesamtheiten 40'1 und 40'2 mit einer
ersten Kathode 30'1 verbunden. Vorzugsweise sind zusätzliche
Kathoden 30'2 und ähnliches auch an der Kathodengesamtheit 14' angebracht.
Die zusätzliche
Kathode kann die gleiche sein wie die erste Kathode, um an der Stelle
der ersten Kathode zu rotieren, und betrieben werden, wenn die erste
Kathode durchbrennen sollte. Auch können verschiedene Kathoden
mit Heizdrähten
unterschiedlicher Größe vorgesehen
sein. Zusätzliche rollende
Ringgesamtheiten können
elektrischen Strom zusätzlichen
Kathoden zuführen
und von ihnen abführen
oder anderen elektronischen Steuerschaltungen zuführen, die
auf der Kathodengesamtheit 14' angebracht sind.
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Bei der Ausführungsform, bei der die Kathode
relativ zu der evakuierten Umhüllung
drehbar angebracht ist, rotieren die Anode und die Umhüllung, wenn
die Ka thode stationär
gehalten wird (58, 60). Eine Vielzahl rollender
Ringgesamtheiten (40'1 , 40'2 , ...)
sorgt für
die elektrische Verbindung zwischen den außerhalb des rotierenden Gehäuses und
der Kathodengesamtheit (14')
aufgestellten elektrischen Steuerschaltungen. Die elektrische Verbindung
enthält das
Zuführen
von Strom an Heizdrähte
von Kathoden (30'1 , 30'2 ) der
Kathodengesamtheit.
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Ein Vorteil der oben beschriebenen
Ausführungsformen
ist, dass sie es möglich
machen, dass Elektronen durch die rollende Ringgesamtheit laufen statt
durch die Lagergesamtheit, wodurch Bogenformung an den Lagern verringert
wird, was seinerseits Lochfraß ("Pitting") und Metallermüdung reduziert. Ein
anderer Vorteil ist, dass der von den Lagern kommende Rauschpegel
reduziert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass relativ zu den Lagern
eine höhere
Stromführungskapazität vorliegt.
Ein anderer Vorteil ist, dass die Leistungsfähigkeit unabhängig von
der Lagergeschwindigkeit ist. Noch ein Vorteil ist, dass nichtmetallische
Lager verwendet werden können.