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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Röntgenröhre mit einer Anode zur Erzeugung von
Röntgenstrahlen
durch das Auftreten von Elektronen auf einer Seite der Anode, wobei
die auftreffenden Elektronen auf der Anode einen Brennpunkt einer
gegebenen Form bilden; Mitteln zur Kühlung der auf der anderen Seite
der Anode liegenden Oberfläche
mittels einer Kühlflüssigkeit,
wobei die Kühlflüssigkeit
zur und von der zu kühlenden
Oberfläche hinweg
mittels einer Zuführungsröhre und
einer Ableitungsröhre
transportiert wird. Die zwei Leitungen sind so angeordnet, dass
sie koaxial zueinander liegen, wobei die Kühlflüssigkeit auf die zu kühlende Oberfläche über eine
Ausgabeöffnung
am Ende der Zuführungsröhre aufgebracht
wird, wobei die Form der Ausgabeöffnung
an die Form des Brennpunkts angepasst ist und ein am Ende der inneren
der beiden koaxialen Röhren
angeordnetes Verteilungsbauteil innerhalb der äußeren Röhre angeordnet ist und eine
Oberfläche
aufweist, die der zu kühlenden
Oberfläche
gegenüberliegt
und in der die Ausgabeöffnung angeordnet
ist, wobei die Oberfläche
des Verteilungsbauteils zusammen mit der äußeren Röhre eine Rücklauföffnung bildet.
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Eine
derartige Röntgenröhre ist
aus dem britischen Patent GB 776,208 bekannt.
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Im
Allgemeinen werden Röntgenstrahlen
in einer Röntgenröhre durch
Beschleunigen von Elektronen mittels einer hoher Spannung und dem
Auftreffen auf einer Anode in der Röhre erzeugt. Die auftreffenden
Elektronen bilden einen Punkt auf der Anode, der als Brennpunkt
bezeichnet wird. Auf grund der vergleichsweise hohen Energie mit
der die Elektronen auftreffen, wird die Anode erhitzt und muss deshalb
gekühlt
werden. Es ist allgemein bekannt, für diesen Zweck Kühlwasser
an der Rückseite
der Anode entlang zu leiten (z. B. an der anderen Seite, als auf
der Seite, an der die Elektronen auftreffen). Der in dem zitierten
Patent beschriebene Brennpunkt der Röntgenröhre weist eine rechtwinklige
Form auf. Um eine verbesserte Wärmeabführung bereitzustellen, weist
diese Röhre
einen Satz von Ausgangsöffnungen
auf, die zusammen eine Ausgabeöffnung
bilden. Die Ausgangsöffnungen
sind derartig angeordnet, dass das zur zu kühlenden Oberfläche fließende Kühlwasser
ein Strömungsprofil
mit ebenfalls rechtwinkliger Form und ungefähr gleichen Abmessungen des
Brennpunkts aufweist. Die Form der Ausgabeöffnung dieser bekannten Röntgenröhre wird
somit an die Form des Brennpunkts angeglichen.
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Es
ist bei Röntgenröhren für analytische Zwecke
oft wünschenswert,
dem Brennpunkt eine gegebene Form zu geben, beispielsweise bei Röntgenröhren zur
Diffraktion oder zur Röntgen-Fluoreszenz.
Die Anode ist oft in der Nähe
des Austrittsfensters der Röntgenröhre angeordnet,
insbesondere bei Röntgenröhren für Fluoreszenzanwendungen.
Um eine derartige Anordnung zu ermöglichen, ist die Elektronen
emittierende Glühwendel
angrenzend zur und um die Anode herum angeordnet. Weiter sind Mittel
zur Ablenkung der Elektronen angeordnet, sodass sie dennoch auf
die Emissionsoberfläche
der Anode auftreffen. Konsequenterweise weisen derartige Röhren häufig einen
ringförmigen
Brennpunkt auf. Das übliche
Verfahren der Zuleitung und Ableitung von Kühlwasser kann für derartige
Röhren
verwendet werden, z. B. ein Verfahren, dass koaxial angeordnete
Zuführungs-
und Ableitungsröhren
verwendet. Das Kühlwasser
wird dann direkt entlang der zu kühlenden Oberfläche entlanggeleitet,
vor allem entlang des Wärmeprofils
des Brennpunkts. In der Praxis ist jedoch eine möglichst hohe Kühlkapazität erforderlich,
da die Kühlung
der Anode den Begrenzungsfaktor in Bezug auf die maximale Röntgenleistung
bildet, die von der Röntgenröhre abgegeben werden
kann. Offensichtlich kann das Vorstehende durch das Vergrößern der
Dimensionen des Kühlungssystems
und dadurch der gesamten Röntgenröhre erreicht
werden, jedoch ist eine derartige Vergrößerung aus Kostengründen und
aus Gründen
einer einfachen Handhabung nicht wünschenswert.
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Es
ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Röntgenröhre der
oben genannten Art bereitzustellen, in der die Kühlkapazität signifikant erhöht ist,
ohne die Abmessungen der Röntgenröhre selbst
zu erhöhen.
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Zu
diesem Zweck ist eine Röntgenröhre gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilungsbauteil eine Vorrichtung
umfasst, die mit einer ersten Leitung versehen ist, die eine Verbindung
zwischen der Ausgabeöffnung
und der Zuführungsröhre bildet,
und das die Oberfläche
des Verteilungsbauteils mit einer Ableitungsöffnung versehen ist, die innerhalb
der Ausgabeöffnung
angeordnet ist und die über
eine weitere Leitung in der Vorrichtung des Verteilungsbauteils
mit der äußeren Oberfläche der
Vorrichtung in Verbindung steht.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass immer eine mehr oder
weniger stationäre Grenzschicht
beim Entlangfließen
an einer Wand (z. B. in diesem Fall an der zu kühlenden Oberfläche) existiert.
Um eine so hoch als mögliche
Kühlkapazität zu erreichen,
ist es erforderlich diese isolierende Grenzschicht so dünn wie möglich auszugestalten und
auch, falls möglich,
diese aufzubrechen. Dieses kann nicht oder nicht adäquat durch
das Vorbeifließen
des Kühlwassers
parallel zu der zu kühlenden Oberfläche entlang
der „heißen Punkte" erreicht werden.
Die Schritte gemäß der Erfindung
stellen sicher, dass das Kühlwasser
als ein Strahl auftrifft, der ungefähr senkrecht zu der zu kühlenden
Oberfläche
ausgerichtet ist. Da das Kühlwasser
in zwei entgegengesetzte Richtungen wegfließt (z.B. in die Richtung der Ableitungsöffnung innerhalb
der Ausgabeöffnung und
auch in die Richtung der Rücklauföffnung,
die zusammen von der Oberfläche
des Verteilungsbauteils mit der äußeren Röhre gebildet
ist), wird der auftreffende Kühlwasserstrahl
abrupt verteilt, wenn er auf die zu kühlende Oberfläche auftritt,
sodass die Grenz schicht aufgebrochen wird. Dieses Phänomen ist
auch als Strahlaufschlagkühlung
bekannt. Auf diese Art und Weise wird die Kühlkapazität signifikant erhöht.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Röntgenröhre gemäß der Erfindung
wird mit einer Vielzahl von Leitungen erreicht, die eine Verbindung
zwischen der Ausgabeöffnung
und der Zuführungsröhre bilden
und die symmetrisch um die Achse der Röntgenröhre angeordnet sind. Dies ermöglicht eine gleichmäßigere Ausgabe
und Kühlung.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Röntgenröhre gemäß der Erfindung
ist ein Reservoir zwischen der einen oder den mehreren Leitungen
und der Ausgabeöffnung
vorgesehen. Dieser Schritt stellt sicher, dass die Auftreffgeschwindigkeit
des Kühlwassers
in diesem Reservoir ausgeglichen wird, wodurch eine gleichmäßigere Ausgabe
und damit eine gleichmäßigere Kühlung bereitgestellt
werden.
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Die
Röntgenröhre kann
auch eine Vielzahl von Leitungen aufweisen, die eine Verbindung
zwischen der Ableitungsöffnung
und der äußeren Oberfläche der
Vorrichtung bilden und die symmetrisch um die Achse der Röntgenröhre angeordnet
sind. Dieser Schritt ermöglicht
eine gleichmäßigere Versorgung
und Kühlung.
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Im
Folgenden wird die Erfindung detailliert mit Bezug auf die Figuren
beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente
bezeichnen. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung
einer Röntgenröhre mit
einem Endaustrittsfenster für
analytische Zwecke, in denen die Anode gemäß der vorliegenden Erfindung
gekühlt
wird;
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2 eine perspektivische Ansicht
eines Verteilungsbauteils zur Kühlung
der Anode gem. 1;
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3 eine Schnittdarstellung
des Verteilungsbauteils zur Kühlung
der Anode gem. 2.
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1 zeigt eine Röntgenröhre gemäß der vorliegenden
Erfindung. Diese Röhre
wird von einer Hülle 2 umschlossen,
in der eine Anode 4 untergebracht ist. Die Anode 4 wird
mit Elektronen beschossen, die von einer Katodenvorrichtung ausgehen,
die einen Glühfaden 6 und
eine Steuerelektrode 8 umfasst. Die vom Glühfaden 6 emittierten
Elektronen werden von der Steuerelektrode 8 auf die Anode 4 gerichtet,
wie durch den Elektronenstrahl 10 dargestellt sind. Dazu
wird der Glühfaden 6 auf
ein geeignetes Potenzial in Bezug auf die Steuerelektrode 8 eingestellt.
Die Steuerelektrode 8 bildet einen Teil der tragenden Konstruktion 12,
die mit der Anodenröhre 16 über einen
aus Glas oder keramischem Material hergestellten Isolator verbunden
ist. Die Anoderöhre 16 ist
mit einer Hochspannungsquelle in einer nicht in der Figur dargestellten
Art verbunden und wird zur Zuführung
und zur Ableitung des Kühlwassers
zur Anodenkühlung
verwendet, wie durch die Pfeile in der Anodenröhre 16 angedeutet.
Der die tragende Konstruktion 12 und den Isolator 14 umgebende Raum 18 wird
mit einem isolierenden Öl
gefüllt.
Dem Glühfaden 6 wird über die
Anschlüsse 20 ein
Heizstrom zugeführt.
Die Heizung kann auch über
diese Anschlüsse 20 auf
ein korrektes Potenzial in Bezug auf die Steuerelektrode 8 eingestellt
werden.
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Die
Anode 4 erzeugt durch das Abfangen von Elektronen Röntgenstrahlen,
wobei die Röntgenstrahlen
die Röhre
in der Form eines Röntgenstrahlenbündels 22 über ein
röntgenstrahldurchlässiges Fenster 24 verlassen.
Die Röntgenröhre ist
von der so genannten Endfensterart, bei der die Anode 4 so nah
wie möglich
am Röntgenfenster 24 angeordnet ist.
Zu diesem Zweck ist der Glühfaden 6 um
die Anode 4 herum angeordnet und die vom Glühfaden 6 ausgehenden
Elektronen werden mittels der Steurelektrode 8 zur Ano denoberfläche abgelenkt.
Als Ergebnis dieser Form des Elektronenbeschusses wird ein ringförmiger Brennpunkt
auf der Oberfläche
der Anode gebildet.
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Die
Anodenröhre 16 bildet
zusammen mit der in dieser Anodenröhre 16 angeordneten
und koaxial zu dieser Anodenröhre 16 ausgerichteten
inneren Röhre 28,
ein koaxiales System von Zuführungs- und
Ableitungsröhren
zur Zuführung
und Ableitung von Kühlwasser
zur Anodenkühlung,
wie mit den darin angedeuteten Pfeilen dargestellt. Am Ende der
inneren Röhre 28 ist
ein Verteilungsbauteil 30 angeordnet, das innerhalb der äußeren Röhre 16 angeordnet ist
und eine Oberfläche 32 aufweist,
die der zu kühlenden
Anodenoberfläche
gegenüber
liegt. Zusammen mit der Innenseite der äußeren Röhre 16 bildet die
Oberfläche 32 des
Verteilungsbauteils eine Rücklauföffnung für das Kühlwasser.
Das Kühlwasser fließt auch über eine
in 1 nicht gezeigte Öffnung, die
in der Mitte der Oberfläche 32 angeordnet
ist, durch Leitungen in der Vorrichtung des Verteilungsbauteils 30 und über Ableitungsfenster 34 zur äußeren Röhre 16 zurück, in der
sich dieser Teil des Kühlwassers
mit dem Kühlwasser
vermischt, das über
die Rücklauföffnung zurückfließt, die
von der Oberfläche 32 und
der Innenseite der äußeren Röhre 16 gebildet wird.
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2 zeigt eine detailliertere
perspektivische Ansicht des Verteilungsbauteils 30 zur
Kühlung der
Anode. Das Verteilungsbauteil 30 besteht aus einer Vorrichtung 37,
in der verschiedene Zuführungs- und
Ableitungsröhren
angeordnet sind. Über
eine Öffnung
an der unteren Seite (nicht gezeigt in 2) ist das Verteilungsbauteil 30 mit
der inneren Röhre (der
Zuführungsröhre) 28 verbunden.
Von dieser Öffnung
erstreckt sich eine Leitung 38 (nicht komplett gezeigt
in 2) zu einem Reservoir 44 auf
der oberen Seite der Vorrichtung 37 des Verteilungsbauteils 30.
Die Öffnung
dieser Leitung 38 ist teilweise in 2 sichtbar. Das Reservoir 44 wird
von einer Abdeckung 46 abgedeckt, die teilweise in einer
Teilschnittansicht von 2 gezeigt
ist. Ein enger Schlitz mit einer Weite der Größenordnung von 0,1 mm bis 1 mm
ist in der Abdeckung 46 angeordnet. Dieser Schlitz dient
als Ausgabeöffnung 36 für das Kühlwasser.
Die Form und Abmessungen der Ausgabeöffnung 36 entsprechen
der Form und den Abmessungen des ringförmigen Brennpunkts. Der Abstand
zwischen der Oberfläche 32 mit
der Ausgabeöffnung und
der zu kühlenden
Anodenoberfläche
liegt im Größenordnungsbereich
von 0 bis 1 mm.
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Das über die
innere Röhre 28,
die Leitung 38 und das Reservoir 44 zugeführte Kühlwasser
trifft durch die Ausgabeöffnung 36 des
Verteilungsbauteils 30 gegen die zu kühlende Anodenoberfläche. Der
mit einer ringförmigen
Form austretende Strahl wird nachdem Auftreffen auf die zu kühlende Oberfläche in zwei
Teilflüsse
aufgeteilt, wobei ein Teilfluss entlang der äußeren Oberfläche 42 der
Vorrichtung 37 abgeleitet wird. Als Ergebnis der Aufteilung
wird der auftreffende Kühlwasserstrahl
nach dem Auftreffen auf die zu kühlende
Oberfläche
abrupt weggezogen. Das gewünschte
Aufbrechen der stationären Grenzschicht
ist somit erreicht. Der andere Teilfluss wird über die Ableitungsöffnung 40 abgeleitet,
die innerhalb der (kreisförmigen)
Ausgabeöffnung 36 angeordnet
ist und mit der äußeren Oberfläche 42 der Vorrichtung 37 über die
Leitung 52 (nicht gezeigt in 2)
in der Vorrichtung 37 des Verteilungsbauteils und den verbundenen
Ableitungsfenstern 34 in der äußeren Oberfläche in Verbindung
steht. Die zwei Teilflüsse
vereinigen sich somit wieder und das zurückkehrende Kühlwasser
wird über
die äußere Röhre (Ableitungsröhre) 16 abgeleitet.
Aufgrund des angeordneten Reservoirs 44 tritt eine Vereinheitlichung der
Geschwindigkeit und des Drucks in dem zugeführten Kühlwasser auf, sodass ein gleichmäßiges Auftreffen
des Kühlwassers
auf der Anode erreicht wird.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung
des Verteilungsbauteils 30 zur Kühlung der in 2 gezeigten Anode. Das Verteilungsbauteil 30 ist
mit der inneren Röhre 28 (der
Zuführungsröhre) (nicht
gezeigt in 3) über eine Öffnung 48 an
der unteren Seite verbunden. Die Oberfläche der zu kühlenden
Anode 4 weist in bekannter Art und Weise Vorsprünge 50 auf,
um die zu kühlende
Oberfläche
zu vergrößern und
eine starke Turbulenz im Kühlwasser
entlang dieser Oberfläche
zu erzeugen. Das Reservoir 44 wird von einer Abdeckung 46 verschlossen,
die mit den Wänden
des Reservoirs 44 mittels hervorstehender Profile verbunden
ist. Wie bereits in Bezug auf 2 beschrieben,
trifft das sich vermischende Kühlwasser
aus der ringförmigen
Ausgabeöffnung 36 auf die
Anodenoberfläche,
die mit Vorsprüngen 50 versehen
ist und wird in zwei Teilflüsse
aufgeteilt. Der Abstand zwischen der Oberfläche 32 und des Verteilungsbauteils 30 und
den Spitzen der Vorsprünge 50 liegt
zwischen 0 und 1 mm.
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Zwei
Leitungen 38 erstrecken sich von der Öffnung 48 zu dem Boden
des Reservoirs 44. Die Figur zeigt nur eine Leitung, die über der
Ebene der Zeichnung angeordnet ist. Die andere Leitung ist darunter
angeordnet. Beide Leitungen 38 in dieser 3 haben einen hexagonalen Querschnitt,
dessen Grenzlinien 38-a bis 38-f in der 3 gezeigt sind. Der Querschnitt muss
nicht hexagonal ausgebildet sein; es kann auch ein Querschnitt mit
einer sanften Begrenzung sein. Die 3 zeigt
auch die unterste Begrenzungslinie 38-g der Leitung. Somit weisen
in dieser 3 die Leitungen
einen Querschnitt in der Form einer abgeflachten Kappe ohne einen
Boden auf. Diese Leitungen öffnen
sich in dem Boden des Reservoirs 44 als angenäherte bananenförmige Öffnung,
ein Ende davon ist in 2 gezeigt.
Außerdem erstrecken
sich von der Ableitungsöffnung 40 zwei Kanäle 52 zwischen
den Leitungen 38 zu den verbundenen Ableitungsfenstern 34,
wobei sich deren Ebene quer zur Ebene von der Zeichnung in 3 erstreckt.