EP3499543A1 - X-ray tube - Google Patents

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EP3499543A1
EP3499543A1 EP17206610.2A EP17206610A EP3499543A1 EP 3499543 A1 EP3499543 A1 EP 3499543A1 EP 17206610 A EP17206610 A EP 17206610A EP 3499543 A1 EP3499543 A1 EP 3499543A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
anode
anode body
ray tube
vacuum housing
tube according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17206610.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jens FÜRST
Steffen Polster
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Healthcare GmbH
Original Assignee
Siemens Healthcare GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Healthcare GmbH filed Critical Siemens Healthcare GmbH
Priority to EP17206610.2A priority Critical patent/EP3499543A1/en
Publication of EP3499543A1 publication Critical patent/EP3499543A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
    • H01J35/105—Cooling of rotating anodes, e.g. heat emitting layers or structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/12—Cooling
    • H01J2235/1204—Cooling of the anode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/12—Cooling
    • H01J2235/1225—Cooling characterised by method
    • H01J2235/1291—Thermal conductivity
    • H01J2235/1295—Contact between conducting bodies

Definitions

  • the invention relates to an X-ray tube according to the preamble of claim 1.
  • Such an X-ray tube comprises a vacuum housing in which a cathode and an anode are arranged with a rotatably mounted anode body.
  • the anode body is plate-shaped (anode plate) and rotationally mounted on a rotor shaft (anode shaft).
  • the rotor shaft is rotatably mounted in a liquid metal plain bearing or in a rolling bearing. This ensures a reliable rotation of the anode plate.
  • the cathode is stressed and generates electrons (e.g., glow emission) that are accelerated toward the anode body and that produce x-rays in the material of an emission region of the anode body.
  • the X-rays exit the vacuum housing via a beam exit window.
  • the heat generated during the generation of radiation in the emission region or in the anode body is dissipated via the bearing of the rotor shaft, which leads to a high thermal load of all components in the vacuum housing of the x-ray tube.
  • the liquid metal sliding bearing with liquid metal is filled by a combination of overpressure on one bearing side and negative pressure on the other bearing side.
  • Object of the present invention is to provide an X-ray tube of the type mentioned, which has significantly improved thermal properties and at the same time a structurally simpler structure.
  • the x-ray tube according to claim 1 comprises a vacuum housing in which a cathode and an anode are arranged with a rotatably mounted anode body, wherein the anode body has at least one emission region which is arranged on an outer side of the anode body.
  • the emission region is thermally decoupled from the anode body and between an inside of the vacuum housing and the anode body, a coolant reservoir filled with a coolant is arranged, with which the emission area is thermally coupled.
  • the radially outer emission region is arranged, for example, parallel to the plane of rotation of the anode body and thus perpendicular to the axis of rotation of the anode body.
  • the emission region may be arranged perpendicular to the plane of rotation of the anode body and then extends parallel to the axis of rotation of the anode body.
  • the cathode is on voltage and emits electrons (so-called annealing emission).
  • the emitted electrons are accelerated in the direction of the anode body and generate X-rays when they strike the material of the emission region, whereby the material of the emission region heats up relatively strongly.
  • the generated X-rays exit the vacuum housing via a beam exit window.
  • heat dissipation heat dissipation
  • these include a slide bearing on high-temperature materials (for example, metal against ceramic) or high-temperature resistant and high-speed ball bearings or roller bearings.
  • anode body e.g. Ceramics instead of thermally conductive metals.
  • the coolant reservoir is arranged on the inside of the vacuum housing (claim 2).
  • the vacuum housing thus at least partially absorbs the heat of the coolant from the coolant reservoir. Since the vacuum housing is arranged in a radiator housing filled with coolant, the heat absorbed by the vacuum housing is cooled by the coolant circulating in the radiator housing. If in individual cases, the circulation of the coolant in the radiator housing should not be auseichend, the coolant in the radiator housing can also be performed via a heat exchanger. The coolant in the coolant reservoir is thus particularly effectively cooled by the coolant circulating in the radiator housing.
  • the coolant in the coolant reservoir is a liquid metal (claim 3).
  • a suitable liquid metal is a eutectic alloy of gallium (Ga), indium (In) and tin (Sn).
  • GaInSn alloy is known, for example, under the brand name Galinstan® and consists of 68.5% by weight of gallium and 21.5% by weight of indium and 10% by weight of tin.
  • the solution according to the invention is suitable both for an X-ray tube in which the anode body is arranged rotationally fixed on an anode shaft (claim 4) and for an X-ray tube in which the anode body is designed as an anode ring (claim 5).
  • a configuration of the x-ray tube, in which the anode ring is mounted at a position remote from the axis of rotation is particularly advantageous (claim 6).
  • the emission range is arranged fachsenfern.
  • an embodiment may be selected for the X-ray tube, in which the anode ring is mounted at a position near the axis of rotation (claim 7).
  • the focal point region is arranged fachsennah.
  • the electric drive of the anode body is preferably designed as a brushless drive.
  • a predeterminable number of permanent magnets is arranged on a lower side of the anode ring.
  • An outer side of the vacuum housing (claim 8) or an inner side of the vacuum housing (claim 9) has a predetermined number of current-carrying windings.
  • the x-ray tube is characterized in that the vacuum housing in the region of the coolant reservoir has at least one isolation ring (claim 10).
  • FIG. 1 shows an embodiment of an X-ray tube in a side view.
  • X-ray tube comprises a stationary vacuum housing 1 in which a cathode 2 and an anode 3 are arranged, the anode 3 comprises an about an axis of rotation A (rotation axis) rotatably mounted anode body 4, which is also referred to as anode plate or anode plate.
  • A rotation axis
  • the anode body 4 has at least one emission region 5, which is arranged on an outside of the anode body 4 facing the cathode 2.
  • the emission region 5 is thermally decoupled from the anode body 4 and between an inside of the vacuum housing 1 and the anode body 4 a coolant reservoir 8 filled with a coolant is arranged, with which the emission region 5 is thermally coupled.
  • the anode body 4 is arranged rotationally fixed on an anode shaft 6 (rotor shaft).
  • the radially outer emission region 5 is in the in FIG. 1 illustrated embodiment parallel to the plane of rotation of the anode body 4, in which the anode shaft 6 is located.
  • the emission region 5 thus extends perpendicular to the axis of rotation A of the anode body 4.
  • the emission region 5 can be arranged perpendicular to the plane of rotation of the anode body 4 and then extends parallel to the axis of rotation A of the anode body. 4
  • the vacuum housing 1 of the X-ray tube is arranged in a radiator housing, not shown, in which a cooling medium circulates.
  • the cathode 2 is at voltage and emits electrons (not shown).
  • the emitted electrons are accelerated in the direction of the anode body 4 and generate when incident in the material of the emission region 5 X-rays (not shown).
  • the X-rays exit via a beam exit window 7 from the vacuum housing 1.
  • the emission region 5 on the side facing the cathode 2 has a corresponding bevelled surface.
  • 5 A heat flow from the emission region 5 into the anode body 4 thus hardly takes place, so that the anode body 4 is heated considerably less in this heat dissipation than in the previously known x-ray tubes. Since at most only a slight heating of the anode body 4 takes place by heat radiation from the emission region 5, hardly any heat has to be dissipated via the rotor shaft 6 and the corresponding bearings. This gives a separation of storage and heat transport.
  • a coolant reservoir 8 is filled with a liquid metal.
  • the embodiment shown offers a variety of advantages. For example, e.g. Storage, AnAuthierung and cooling functionally separated. Furthermore, by additional measures, a direct cooling of the emission region 5 in the direction of the vacuum housing 1 (direct cooling) can be realized.
  • the electric drive of the anode body 4 is preferably designed as a brushless drive, the predetermined number of permanent magnets 9 and a predetermined number of current-carrying windings 10 comprises.
  • the permanent magnets 9 are arranged on a lower side of the anode body 4, whereas the current-carrying windings 10 are arranged on the adjacent outer side of the vacuum housing 1.
  • insulation rings 11 is obtained via the liquid metal in the coolant reservoir 8 Antitleleiter the anode body. 4
  • the number of heat transfers is reduced, since no heat transfer between the emission region 5 and the anode disk 4 can take place.
  • the heat conduction resistance is significantly reduced, since there is no heat conduction between the emission region 5 and the anode disk 4 and thus from the anode disk 4 to the anode shaft 6, as is the case in the solutions according to the prior art.
  • the good heat dissipation due to the large area can be further improved, for example by constructive enlargement of the outer surface of the vacuum housing 1 by attaching ribs.
  • This can usually be dispensed with a structurally complex intermediate water cooling. This reduces the complexity of the arrangement accordingly, resulting in increased reliability.
  • the bearing can also be designed as a rolling bearing, sliding bearing or hydrodynamic bearing.
  • the bearing is designed as a magnetic bearing without mechanical contact (magnetic levitation bearings), any unbalance of the anode 3 that may occur will not be transmitted directly to the vacuum housing 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse (1), in dem eine Kathode (2) und eine Anode (3) mit einem drehbar gelagerten Anodenkörper (4) angeordnet sind, wobei der Anodenkörper (4) wenigstens einen Emissionsbereich (5) aufweist, der auf einer Außenseite des Anodenkörpers (4) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist der Emissionsbereich (5) von dem Anodenkörper (4) thermisch entkoppelt und zwischen einer Innenseite des Vakuumgehäuses (1) und dem Anodenkörper (4) ist ein mit einem Kühlmittel gefülltes Kühlmittelreservoir (8) angeordnet, mit dem der Emissionsbereich (5) thermisch gekoppelt ist. Eine derartige Röntgenröhre ist konstruktiv einfacher aufgebaut und weist deutlich verbesserte thermische Eigenschaften auf.The invention relates to an X-ray tube with a vacuum housing (1) in which a cathode (2) and an anode (3) with a rotatably mounted anode body (4) are arranged, the anode body (4) having at least one emission area (5), which is arranged on an outside of the anode body (4). According to the invention, the emission area (5) is thermally decoupled from the anode body (4) and a coolant reservoir (8) filled with a coolant is arranged between an inside of the vacuum housing (1) and the anode body (4), with which the emission area (5) is thermally is coupled. Such an X-ray tube has a simpler construction and has significantly improved thermal properties.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an X-ray tube according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Röntgenröhre umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem eine Kathode und eine Anode mit einem drehbar gelagerten Anodenkörper angeordnet sind. Der Anodenkörper ist tellerförmig ausgebildet (Anodenteller) und verdrehfest auf einer Rotorwelle (Anodenwelle) angeordnet. Die Rotorwelle ist drehbar in einem Flüssigmetall-Gleitlager oder in einem Wälzlager gelagert. Damit ist eine zuverlässige Rotation des Anodentellers gewährleistet. Während des Betriebs liegt die Kathode auf Spannung und erzeugt Elektronen (z.B. Glühemission), die in Richtung Anodenkörper beschleunigt werden und die im Material eines Emissionsbereichs des Anodenkörpers Röntgenstrahlen erzeugen. Die Röntgenstrahlen treten über ein Strahlenaustrittsfenster aus dem Vakuumgehäuse aus.Such an X-ray tube comprises a vacuum housing in which a cathode and an anode are arranged with a rotatably mounted anode body. The anode body is plate-shaped (anode plate) and rotationally mounted on a rotor shaft (anode shaft). The rotor shaft is rotatably mounted in a liquid metal plain bearing or in a rolling bearing. This ensures a reliable rotation of the anode plate. During operation, the cathode is stressed and generates electrons (e.g., glow emission) that are accelerated toward the anode body and that produce x-rays in the material of an emission region of the anode body. The X-rays exit the vacuum housing via a beam exit window.

Aufgrund des hohen Leistungseintrags ist insbesondere eine Kombination aus einer schnellen Bewegung des Brennpunkts (Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf dem Anodenteller als auch eine effiziente Kühlung der Anode erforderlich. Um eine hohe Geschwindigkeit des Brennpunkts auf dem Anodenteller zu erreichen, ist eine effektive Kühlung bzw. Entwärmung der Anode notwendig. Üblicherweise wird die Anode über Flüssigmetall-Gleitlager geführt um dort gleichzeitig zur Lagerung auch den Wärmetransport (Entwärmung) zu realisieren.Due to the high power input, a combination of a fast movement of the focal point (point of impact of the electron beam on the anode plate and efficient cooling of the anode is required.) In order to achieve a high speed of the focal point on the anode plate, an effective cooling or cooling of the Anode is necessary Usually, the anode is guided over liquid metal sliding bearings in order to realize heat storage (heat dissipation) at the same time for storage.

Weiterhin wird im bekannten Fall die bei der Strahlungserzeugung im Emissionsbereich bzw. im Anodenkörper entstehende Wärme über die Lagerung der Rotorwelle abgeführt, was zu einer hohen thermischen Belastung aller Komponenten im Vakuumgehäuse der Röntgenröhre führt.Furthermore, in the known case, the heat generated during the generation of radiation in the emission region or in the anode body is dissipated via the bearing of the rotor shaft, which leads to a high thermal load of all components in the vacuum housing of the x-ray tube.

Die erforderlichen engen Toleranzen in den Flüssigmetall-Gleitlagern erfordern einen hohen technischen Aufwand in der Herstellung.The required tight tolerances in the liquid metal bearings require a high technical effort in the production.

Um einen direkten Metall-Metall-Kontakt von Lagerinnenring und Lageraußenring zu verhindern, ist der Aufbau einer kristallinen Schutzschicht erforderlich. Im Betrieb können sich jedoch Kristallite von dieser Schutzschicht lösen und zu einem erhöhten Verschleiß führen.In order to prevent direct metal-to-metal contact of the bearing inner ring and bearing outer ring, the construction of a crystalline protective layer is required. In operation, however, crystallites can detach from this protective layer and lead to increased wear.

Tritt eine Anhäufung von Partikeln an kritischen Stellen im Flüssigmetall-Gleitlager auf, kann dies zu einem Festgehen (Fressen, Trockenlaufen) des Flüssigmetall-Gleitlagers führen.If an accumulation of particles occurs at critical points in the liquid metal plain bearing, this can lead to seizing (feeding, dry running) of the liquid metal plain bearing.

Um die entstehende Wärme abzutransportieren (Entwärmung) ist eine mehrstufige Kühlung (Flüssigmetall - Öl - Luft) nötig.In order to remove the resulting heat (cooling) a multi - stage cooling (liquid metal - oil - air) is necessary.

Der Füllprozess der Flüssigmetall-Gleitlager mit Flüssigmetall erfolgt über eine Kombination aus Überdruck auf der einen Lagerseite und Unterdruck auf der anderen Lagerseite.The liquid metal sliding bearing with liquid metal is filled by a combination of overpressure on one bearing side and negative pressure on the other bearing side.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art zu schaffen, die deutlich verbesserte thermische Eigenschaften und gleichzeitig einen konstruktiv einfacheren Aufbau aufweist.Object of the present invention is to provide an X-ray tube of the type mentioned, which has significantly improved thermal properties and at the same time a structurally simpler structure.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Röntgenröhre gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Röntgenröhre sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.The object is achieved by an X-ray tube according to claim 1. Advantageous embodiments of the X-ray tube according to the invention are the subject of further claims.

Die Röntgenröhre nach Anspruch 1 umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem eine Kathode und eine Anode mit einem drehbar gelagerten Anodenkörper angeordnet sind, wobei der Anodenkörper wenigstens einen Emissionsbereich aufweist, der auf einer Außenseite des Anodenkörpers angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist der Emissionsbereich von dem Anodenkörper thermisch entkoppelt und zwischen einer Innenseite des Vakuumgehäuses und dem Anodenkörper ist ein mit einem Kühlmittel gefülltes Kühlmittelreservoir angeordnet, mit dem der Emissionsbereich thermisch gekoppelt ist.The x-ray tube according to claim 1 comprises a vacuum housing in which a cathode and an anode are arranged with a rotatably mounted anode body, wherein the anode body has at least one emission region which is arranged on an outer side of the anode body. According to the invention, the emission region is thermally decoupled from the anode body and between an inside of the vacuum housing and the anode body, a coolant reservoir filled with a coolant is arranged, with which the emission area is thermally coupled.

Im Rahmen der Erfindung ist der radial außen liegende Emissionsbereich beispielsweise parallel zur Rotationsebene des Anodenkörpers und damit senkrecht zur Rotationsachse des Anodenkörpers angeordnet. Gemäß einer Alternative kann der Emissionsbereich senkrecht zur Rotationsebene des Anodenkörpers angeordnet sein und erstreckt sich dann parallel zur Rotationsachse des Anodenkörpers.In the context of the invention, the radially outer emission region is arranged, for example, parallel to the plane of rotation of the anode body and thus perpendicular to the axis of rotation of the anode body. According to an alternative, the emission region may be arranged perpendicular to the plane of rotation of the anode body and then extends parallel to the axis of rotation of the anode body.

Während des Betriebs liegt die Kathode auf Spannung und emittiert Elektronen (so genannte Glühemission). Die emittierten Elektronen werden in Richtung Anodenkörper beschleunigt und erzeugen beim Auftreffen im Material des Emissionsbereichs Röntgenstrahlen, wobei sich das Material des Emissionsbereichs relativ stark erhitzt. Die erzeugten Röntgenstrahlen treten über ein Strahlenaustrittsfenster aus dem Vakuumgehäuse aus.During operation, the cathode is on voltage and emits electrons (so-called annealing emission). The emitted electrons are accelerated in the direction of the anode body and generate X-rays when they strike the material of the emission region, whereby the material of the emission region heats up relatively strongly. The generated X-rays exit the vacuum housing via a beam exit window.

Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Röntgenröhre der auf dem Anodenkörper angeordnete Emissionsbereich thermisch entkoppelt und nahe am Kühlmittelreservoir angeordnet ist, erfolgt der Wärmetransport direkt in das Kühlmittel im Kühlmittelreservoir und gewährleistet damit eine wirkungsvolle Entwärmung des Emissionsbereichs. Ein Wärmefluss vom Emissionsbereich in den Anodenkörper findet bei der erfindungsgemäßen Lösung damit kaum statt, so dass der Anodenkörper bei dieser Entwärmung deutlich weniger erwärmt wird als bei den bisher bekannten Röntgenröhren. Da höchstens nur eine geringe Erwärmung des Anodenkörpers durch Wärmeabstrahlung aus dem Emissionsbereich erfolgt, muss auch kaum Wärme über die Rotorwelle und die entsprechenden Lager abgeführt werden. Man erhält damit eine Trennung von Lagerung und Wärmetransport.Characterized in that in the X-ray tube according to the invention arranged on the anode body emission region is thermally decoupled and disposed close to the coolant reservoir, the heat transfer takes place directly in the coolant in the coolant reservoir and thus ensures effective cooling of the emission area. A heat flow from the emission region into the anode body hardly takes place in the solution according to the invention, so that the anode body is heated considerably less in this cooling than in the previously known x-ray tubes. Since at most only a slight warming of the anode body takes place by heat radiation from the emission area, hardly any heat has to be dissipated via the rotor shaft and the corresponding bearings. This gives a separation of storage and heat transport.

Aufgrund der Trennung von Lagerung und Wärmetransport (Entwärmung) kann die Lagerung der Anode durch die bereits bekannte hydrodynamische Lagerung (Flüssigmetall-Gleitlager) realisiert werden. Für eine derartige Lagerung sind dann nicht mehr die bisher erforderlichen engen Toleranzen erforderlich.Due to the separation of storage and heat transport (heat dissipation), the storage of the anode by the already known hydrodynamic bearing (liquid metal bearings) can be realized. For such storage then the previously required tight tolerances are no longer required.

Durch die Trennung der Funktionen Lagerung und Wärmetransport sind dann auch Lagerungen möglich, die bisher aufgrund der Wärmeabfuhr (Entwärmung) über die Lagerung nicht realisiert werden konnten. Hierzu zählen eine Gleitlagerung auf Hochtemperaturwerkstoffen (beispielsweise Metall gegen Keramik) oder hochtemperaturbeständige und schnelllauffähige Kugellager bzw. Rollenlager.By separating the functions storage and heat transport and storage are then possible, which previously could not be realized due to the heat dissipation (heat dissipation) on the storage. These include a slide bearing on high-temperature materials (for example, metal against ceramic) or high-temperature resistant and high-speed ball bearings or roller bearings.

Aufgrund der funktionalen Trennung von Lagerung und Entwärmung kann auch eine Vielzahl weiterer Materialien für den Anodenkörper (Anodenteller) verwendet werden, z.B. Keramik anstelle von wärmeleitfähigen Metallen.Due to the functional separation of storage and heat dissipation, a variety of other materials can also be used for the anode body (anode plate), e.g. Ceramics instead of thermally conductive metals.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kühlmittelreservoir an der Innenseite des Vakuumgehäuses angeordnet (Anspruch 2). Das Vakuumgehäuse nimmt damit zumindest teilweise die Wärme des Kühlmittels aus dem Kühlmittelreservoir auf. Da das Vakuumgehäuse in einem mit Kühlmittel gefüllten Strahlergehäuse angeordnet ist, wird die vom Vakuumgehäuse aufgenommene Wärme über das im Strahlergehäuse zirkulierende Kühlmittel entwärmt. Falls im Einzelfall die Zirkulation des Kühlmittels im Strahlergehäuse nicht auseichend sein sollte, kann das Kühlmittel im Strahlergehäuse zusätzlich über einen Wärmetauscher geführt werden. Das Kühlmittel im Kühlmittelreservoir wird damit über das im Strahlergehäuse zirkulierende Kühlmittel besonders wirkungsvoll entwärmt.According to a particularly advantageous embodiment, the coolant reservoir is arranged on the inside of the vacuum housing (claim 2). The vacuum housing thus at least partially absorbs the heat of the coolant from the coolant reservoir. Since the vacuum housing is arranged in a radiator housing filled with coolant, the heat absorbed by the vacuum housing is cooled by the coolant circulating in the radiator housing. If in individual cases, the circulation of the coolant in the radiator housing should not be auseichend, the coolant in the radiator housing can also be performed via a heat exchanger. The coolant in the coolant reservoir is thus particularly effectively cooled by the coolant circulating in the radiator housing.

In vorteilhafter Weise ist das Kühlmittel im Kühlmittelreservoir ein Flüssigmetall (Anspruch 3). Ein hierfür geeignetes Flüssigmetall ist eine eutektische Legierung aus Gallium (Ga), Indium (In) und Zinn (Sn). Eine derartige GaInSn-Legierung ist z.B. unter dem Markenamen Galinstan® bekannt und besteht aus 68,5 Gew.-% Gallium sowie 21,5 Gew.-% Indium und 10 Gew.-% Zinn.Advantageously, the coolant in the coolant reservoir is a liquid metal (claim 3). A suitable liquid metal is a eutectic alloy of gallium (Ga), indium (In) and tin (Sn). Such a GaInSn alloy is known, for example, under the brand name Galinstan® and consists of 68.5% by weight of gallium and 21.5% by weight of indium and 10% by weight of tin.

Die erfindungsgemäße Lösung ist sowohl für eine Röntgenröhre geeignet, bei der der Anodenkörper verdrehfest auf einer Anodenwelle angeordnet ist (Anspruch 4) als auch für eine Röntgenröhre, bei der der Anodenkörper als Anodenring ausgebildet ist (Anspruch 5). Bei einer Ausgestaltung des Anodenkörpers als Anodenring ist eine Ausgestaltung der Röntgenröhre, bei der der Anodenring an einer drehachsenfernen Position gelagert ist, besonders vorteilhaft (Anspruch 6). Damit ist auch der Emissionsbereich drehachsenfern angeordnet.The solution according to the invention is suitable both for an X-ray tube in which the anode body is arranged rotationally fixed on an anode shaft (claim 4) and for an X-ray tube in which the anode body is designed as an anode ring (claim 5). In one embodiment of the anode body as the anode ring, a configuration of the x-ray tube, in which the anode ring is mounted at a position remote from the axis of rotation, is particularly advantageous (claim 6). Thus, the emission range is arranged drehachsenfern.

Für bestimmte Anwendungsfälle kann für die Röntgenröhre auch eine Ausführungsform gewählt werden, bei der der Anodenring an einer drehachsennahen Position gelagert ist (Anspruch 7). Damit ist auch der Brennbahnbereich drehachsennah angeordnet.For certain applications, an embodiment may be selected for the X-ray tube, in which the anode ring is mounted at a position near the axis of rotation (claim 7). Thus, the focal point region is arranged drehachsennah.

Der elektrische Antrieb des Anodenkörpers ist vorzugsweise als bürstenloser Antrieb ausgeführt. Hierzu ist auf einer Unterseite des Anodenrings eine vorgebbare Anzahl von Permanentmagneten angeordnet. Eine Außenseite des Vakuumgehäuses (Anspruch 8) oder eine Innenseite des Vakuumgehäuses (Anspruch 9) weist eine vorgebbare Anzahl von stromdurchflossenen Wicklungen auf.The electric drive of the anode body is preferably designed as a brushless drive. For this purpose, a predeterminable number of permanent magnets is arranged on a lower side of the anode ring. An outer side of the vacuum housing (claim 8) or an inner side of the vacuum housing (claim 9) has a predetermined number of current-carrying windings.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Röntgenröhre dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumgehäuse im Bereich des Kühlmittelreservoirs wenigstens einen Isolationsring aufweist (Anspruch 10).According to a further advantageous embodiment, the x-ray tube is characterized in that the vacuum housing in the region of the coolant reservoir has at least one isolation ring (claim 10).

Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. FIG 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Röntgenröhre in einer Seitenansicht.Hereinafter, a schematically illustrated embodiment of the invention will be explained with reference to the drawing, but without being limited thereto. FIG. 1 shows an embodiment of an X-ray tube in a side view.

Die in FIG 1 dargestellte Röntgenröhre umfasst ein stehendes Vakuumgehäuse 1 in dem eine Kathode 2 und eine Anode 3 angeordnet sind, Die Anode 3 umfasst einen um eine Drehachse A (Rotationsachse) drehbar gelagerten Anodenkörper 4, der auch als Anodenscheibe oder Anodenteller bezeichnet wird.In the FIG. 1 illustrated X-ray tube comprises a stationary vacuum housing 1 in which a cathode 2 and an anode 3 are arranged, the anode 3 comprises an about an axis of rotation A (rotation axis) rotatably mounted anode body 4, which is also referred to as anode plate or anode plate.

Der Anodenkörper 4 weist wenigstens einen Emissionsbereich 5 auf, der auf einer der Kathode 2 zugewandten Außenseite des Anodenkörpers 4 angeordnet ist.The anode body 4 has at least one emission region 5, which is arranged on an outside of the anode body 4 facing the cathode 2.

Erfindungsgemäß ist der Emissionsbereich 5 von dem Anodenkörper 4 thermisch entkoppelt und zwischen einer Innenseite des Vakuumgehäuses 1 und dem Anodenkörper 4 ist ein mit einem Kühlmittel gefülltes Kühlmittelreservoir 8 angeordnet, mit dem der Emissionsbereich 5 thermisch gekoppelt ist.According to the invention, the emission region 5 is thermally decoupled from the anode body 4 and between an inside of the vacuum housing 1 and the anode body 4 a coolant reservoir 8 filled with a coolant is arranged, with which the emission region 5 is thermally coupled.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Anodenkörper 4 verdrehfest auf einer Anodenwelle 6 (Rotorwelle) angeordnet.In the illustrated embodiment, the anode body 4 is arranged rotationally fixed on an anode shaft 6 (rotor shaft).

Der radial außen liegende Emissionsbereich 5 ist bei der in FIG 1 dargestellten Ausführungsform parallel zur Rotationsebene des Anodenkörpers 4, in der auch die Anodenwelle 6 liegt, angeordnet. Der Emissionsbereich 5 verläuft damit senkrecht zur Rotationsachse A des Anodenkörpers 4. Gemäß einer in FIG 1 nicht dargestellten Alternative kann der Emissionsbereich 5 senkrecht zur Rotationsebene des Anodenkörpers 4 angeordnet sein und erstreckt sich dann parallel zur Rotationsachse A des Anodenkörpers 4.The radially outer emission region 5 is in the in FIG. 1 illustrated embodiment parallel to the plane of rotation of the anode body 4, in which the anode shaft 6 is located. The emission region 5 thus extends perpendicular to the axis of rotation A of the anode body 4. According to an in FIG. 1 not shown alternative, the emission region 5 can be arranged perpendicular to the plane of rotation of the anode body 4 and then extends parallel to the axis of rotation A of the anode body. 4

Das Vakuumgehäuse 1 der Röntgenröhre ist in einem nicht dargestellten Strahlergehäuse angeordnet, in dem ein Kühlmedium zirkuliert.The vacuum housing 1 of the X-ray tube is arranged in a radiator housing, not shown, in which a cooling medium circulates.

Während des Betriebs liegt die Kathode 2 auf Spannung und emittiert Elektronen (nicht dargestellt). Die emittierten Elektronen werden in Richtung des Anodenkörpers 4 beschleunigt und erzeugen beim Auftreffen im Material des Emissionsbereichs 5 Röntgenstrahlen (nicht dargestellt). Die Röntgenstrahlen treten über ein Strahlenaustrittsfenster 7 aus dem Vakuumgehäuse 1 aus. Um einen problemlosen Austritt der Röntgenstrahlen sicherzustellen, weist der Emissionsbereich 5 auf der Seite, die der Kathode 2 zugewandt ist, eine entsprechend abgeschrägte Fläche auf.During operation, the cathode 2 is at voltage and emits electrons (not shown). The emitted electrons are accelerated in the direction of the anode body 4 and generate when incident in the material of the emission region 5 X-rays (not shown). The X-rays exit via a beam exit window 7 from the vacuum housing 1. In order to ensure a trouble-free exit of the X-rays, the emission region 5 on the side facing the cathode 2 has a corresponding bevelled surface.

Dadurch, dass bei der dargestellten Ausführungsform der Röntgenröhre der auf dem Anodenkörper 4 angeordnete Emissionsbereich 5 thermisch entkoppelt sowie einerseits nahe am Vakuumgehäuse 1 und andererseits nahe am Kühlmittelreservoir 8 angeordnet ist, erfolgt der Wärmetransport direkt in das Kühlmittel und gewährleistet damit eine wirkungsvolle Entwärmung des Emissionsbereichs 5. Ein Wärmefluss vom Emissionsbereich 5 in den Anodenkörper 4 findet damit kaum statt, so dass der Anodenkörper 4 bei dieser Entwärmung deutlich weniger erwärmt wird als bei den bisher bekannten Röntgenröhren. Da höchstens nur eine geringe Erwärmung des Anodenkörpers 4 durch Wärmeabstrahlung aus dem Emissionsbereich 5 erfolgt, muss auch kaum Wärme über die Rotorwelle 6 und die entsprechenden Lager abgeführt werden. Man erhält damit eine Trennung von Lagerung und Wärmetransport.Characterized in that in the illustrated embodiment, the X-ray tube disposed on the anode body 4 emission area 5 thermally decoupled and on the one hand close to the vacuum housing 1 and the other part is arranged close to the coolant reservoir 8, the heat transfer takes place directly into the coolant and thus ensures effective cooling of the emission region. 5 A heat flow from the emission region 5 into the anode body 4 thus hardly takes place, so that the anode body 4 is heated considerably less in this heat dissipation than in the previously known x-ray tubes. Since at most only a slight heating of the anode body 4 takes place by heat radiation from the emission region 5, hardly any heat has to be dissipated via the rotor shaft 6 and the corresponding bearings. This gives a separation of storage and heat transport.

Bei der in FIG 1 dargestellten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Röntgenröhre ist zwischen einer Innenseite des Vakuumgehäuses 1 und der radialen Außenseite des Anodenkörpers 4 (Mantelfläche der Anodenscheibe 4) erfindungsgemäß ein Kühlmittelreservoir 8 angeordnet. Durch diese Maßnahme erhält man über die radiale Außenseite des Anodenkörpers 4, einschließlich des Emissionsbereichs 5, eine zuverlässige Entwärmung des durch die Strahlerzeugung heißen Anodenkörpers 4, da der Anodenkörper 4 über seine radiale Außenseite die thermische Energie in Richtung des Vakuumgehäuses 1 abstrahlt. Da das Vakuumgehäuse 1 von einem im Strahlergehäuse zirkulierendem Kühlmedium umströmt wird, findet eine effektive Entwärmung des Emissionsbereichs 5 statt. In vorteilhafter Weise ist das Kühlmittelreservoir 8 mit einem Flüssigmetall gefüllt.At the in FIG. 1 illustrated embodiment of the X-ray tube according to the invention is arranged between an inside of the vacuum housing 1 and the radial outer side of the anode body 4 (lateral surface of the anode disc 4) according to the invention a coolant reservoir 8. By means of this measure, a reliable cooling of the anode body 4 caused by the jet generation is obtained via the radial outer side of the anode body 4, including the emission area 5, since the anode body 4 radiates the thermal energy in the direction of the vacuum housing 1 via its radial outer side. Since the vacuum housing 1 flows around a circulating in the radiator housing cooling medium, there is an effective cooling of the emission area 5. Advantageously, the coolant reservoir 8 is filled with a liquid metal.

Die gezeigte Ausgestaltung bietet eine Vielzahl von Vorteilen. So sind z.B. Lagerung, Ankontaktierung und Entwärmung funktional voneinander getrennt. Weiterhin ist durch zusätzliche Maßnahmen eine direkte Entwärmung des Emissionsbereichs 5 in Richtung Vakuumgehäuse 1 (Direktkühlung) realisierbar.The embodiment shown offers a variety of advantages. For example, e.g. Storage, Ankontaktierung and cooling functionally separated. Furthermore, by additional measures, a direct cooling of the emission region 5 in the direction of the vacuum housing 1 (direct cooling) can be realized.

Der elektrische Antrieb des Anodenkörpers 4 ist vorzugsweise als bürstenloser Antrieb ausgeführt, der vorgebbare Anzahl von Permanentmagneten 9 sowie eine vorgebbare Anzahl von stromdurchflossene Wicklungen 10 umfasst. Die Permanentmagneten 9 sind auf einer Unterseite des Anodenkörpers 4 angeordnet, wohingegen die stromdurchflossenen Wicklungen 10 auf der benachbarten Außenseite des Vakuumgehäuses 1 angeordnet sind.The electric drive of the anode body 4 is preferably designed as a brushless drive, the predetermined number of permanent magnets 9 and a predetermined number of current-carrying windings 10 comprises. The permanent magnets 9 are arranged on a lower side of the anode body 4, whereas the current-carrying windings 10 are arranged on the adjacent outer side of the vacuum housing 1.

Weiterhin weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Vakuumgehäuse 1 im Bereich des Kühlmittelreservoirs 8 eine vorgebbare Anzahl von Isolationsringen 11 auf. Durch die optional vorgesehenen Isolationsringe 11 erhält man über das Flüssigmetall in dem Kühlmittelreservoir 8 eine Ankontaktierung des Anodenkörpers 4.Furthermore, in the illustrated embodiment, the vacuum housing 1 in the region of the coolant reservoir 8 to a predetermined number of insulation rings 11. By optionally provided insulation rings 11 is obtained via the liquid metal in the coolant reservoir 8 Ankontaktierung the anode body. 4

Die Anzahl der Wärmeübergänge wird reduziert, da kein Wärmeübergang zwischen dem Emissionsbereich 5 und der Anodenscheibe 4 stattfinden kann.The number of heat transfers is reduced, since no heat transfer between the emission region 5 and the anode disk 4 can take place.

Weiterhin ist der Wärmeleitungswiderstand deutlich verringert, da keine Wärmeleitung zwischen dem Emissionsbereich 5 und der Anodenscheibe 4 und damit von der Anodenscheibe 4 auf die Anodenwelle 6 stattfindet, wie dies bei den Lösungen gemäß dem Stand der Technik der Fall ist.Furthermore, the heat conduction resistance is significantly reduced, since there is no heat conduction between the emission region 5 and the anode disk 4 and thus from the anode disk 4 to the anode shaft 6, as is the case in the solutions according to the prior art.

Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen Röntgenröhre die aufgrund der großen Fläche vorhandene gute Wärmeabfuhr nochmals verbessert werden, beispielsweise durch eine konstruktive Vergrößerung der Außenfläche des Vakuumgehäuses 1 durch ein Anbringen von Rippen. Damit kann in der Regel auf eine konstruktiv aufwendige Zwischenstufe einer Wasserkühlung verzichtet werden. Dies reduziert die Komplexität der Anordnung entsprechend, wodurch sich eine erhöhte Zuverlässigkeit ergibt.Furthermore, in the X-ray tube according to the invention, the good heat dissipation due to the large area can be further improved, for example by constructive enlargement of the outer surface of the vacuum housing 1 by attaching ribs. This can usually be dispensed with a structurally complex intermediate water cooling. This reduces the complexity of the arrangement accordingly, resulting in increased reliability.

Anstelle der Lagerung mittels als Wälzkörper sind auch alternative Lagerungen möglich. So kann das Lager auch als Wälzlager, Gleitlager oder hydrodynamisches Lager ausgeführt sein.Instead of storage by means of rolling elements and alternative storage is possible. Thus, the bearing can also be designed as a rolling bearing, sliding bearing or hydrodynamic bearing.

Wird das Lager als Magnetlager ohne mechanischen Kontakt (Magnetschwebelager) ausgeführt, dann wird eine eventuell auftretende Unwucht der Anode 3 nicht direkt auf das Vakuumgehäuse 1 übertragen.If the bearing is designed as a magnetic bearing without mechanical contact (magnetic levitation bearings), any unbalance of the anode 3 that may occur will not be transmitted directly to the vacuum housing 1.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben ist, so ist die Erfindung nicht auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Ausgehend von der erfindungsgemäßen Lösung, den Emissionsbereich 5 vom Anodenkörper 4 thermisch zu entkoppeln und mit einem Kühlmittelreservoir 8 thermisch zu koppeln, können vom Fachmann auch andere Varianten abgeleitet werden, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by preferred embodiments, the invention is not limited to the embodiment shown in the drawing. Starting from the solution according to the invention to decouple the emission region 5 thermally from the anode body 4 and to couple thermally with a coolant reservoir 8, other variants can be derived by the person skilled in the art without departing from the inventive concept.

Claims (10)

Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse (1), in dem eine Kathode (2) und eine Anode (3) mit einem drehbar gelagerten Anodenkörper (4) angeordnet sind, wobei der Anodenkörper (4) wenigstens einen Emissionsbereich (5) aufweist, der auf einer Außenseite des Anodenkörpers (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionsbereich (5) von dem Anodenkörper (4) thermisch entkoppelt ist und zwischen einer Innenseite des Vakuumgehäuses (1) und dem Anodenkörper (4) ein mit einem Kühlmittel gefülltes Kühlmittelreservoir (8) angeordnet ist, mit dem der Emissionsbereich (5) thermisch gekoppelt ist.X-ray tube with a vacuum housing (1), in which a cathode (2) and an anode (3) with a rotatably mounted anode body (4) are arranged, wherein the anode body (4) has at least one emission region (5) on an outer side the anode body (4) is arranged, characterized in that the emission region (5) of the anode body (4) is thermally decoupled and between an inside of the vacuum housing (1) and the anode body (4) filled with a coolant coolant reservoir (8) is arranged, with which the emission region (5) is thermally coupled. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelreservoir (8) an der Innenseite des Vakuumgehäuses (1) angeordnet ist.X-ray tube according to claim 1, characterized in that the coolant reservoir (8) on the inside of the vacuum housing (1) is arranged. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel ein Flüssigmetall ist.X-ray tube according to claim 1, characterized in that the coolant is a liquid metal. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkörper verdrehfest auf einer Anodenwelle angeordnete ist.X-ray tube according to claim 1, characterized in that the anode body is arranged rotationally fixed on an anode shaft. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkörper als Anodenring ausgebildet ist.X-ray tube according to claim 1, characterized in that the anode body is formed as an anode ring. Röntgenröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenring (4) an einer drehachsenfernen Position gelagert ist.X-ray tube according to claim 5, characterized in that the anode ring (4) is mounted at a position remote from the axis of rotation. Röntgenröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenring (4) an einer drehachsennahen Position gelagert ist.X-ray tube according to claim 5, characterized in that the anode ring (4) is mounted at a position near the axis of rotation. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Unterseite des Anodenkörpers (4) eine vorgebbare Anzahl von Permanentmagneten (9) und auf einer Außenseite des Vakuumgehäuses (1) eine vorgebbare Anzahl von stromdurchflossenen Wicklungen (10) aufweist.X-ray tube according to claim 1, characterized in that on a lower side of the anode body (4) has a predeterminable Number of permanent magnets (9) and on an outer side of the vacuum housing (1) has a predetermined number of current-carrying windings (10). Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Unterseite des Anodenkörpers (4) eine vorgebbare Anzahl von Permanentmagneten (9) und auf einer Innenseite des Vakuumgehäuses (1) eine vorgebbare Anzahl von stromdurchflossenen Wicklungen aufweist.X-ray tube according to claim 1, characterized in that on a lower side of the anode body (4) a predeterminable number of permanent magnets (9) and on an inner side of the vacuum housing (1) has a predetermined number of current-carrying windings. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumgehäuse (1) im Bereich des Kühlmittelreservoirs (8) wenigstens einen Isolationsring (11) aufweist.X-ray tube according to claim 1, characterized in that the vacuum housing (1) in the region of the coolant reservoir (8) has at least one insulating ring (11).
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