NL8900830A

NL8900830A - Roentgenbuis.

Info

Publication number: NL8900830A
Application number: NL8900830A
Authority: NL
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1988-04-04
Filing date: 1989-04-04
Publication date: 1989-11-01
Also published as: US4928296A; ATA72489A; NL194180B; JP2726093B2; NL194180C; AT397319B; DE3910224C2; JPH0212745A; DE3910224A1

Description

NO 35632 f 1 ~ t Röntgenbuis

De uitvinding heeft betrekking op een röntgenbuis, in het bijzonder een inrichting voor het koelen van een röntgenbuis, zoals een röntgenbuis van een door een computer bestuurde tomografie-aftaster (CT).

5 Röntgeninrichtingen van hoog vermogen van het type dat voor medische diagnostie en röntgenkristallografie wordt toegepast, vereisen een anode die een betrekkelijk grote hoeveelheid warmte kan afvoeren.

Aangezien als primaire methode het afvoeren van deze warmte plaatsvindt door straling vanaf de anode, leidt een vergroting van het stralingsop-10 pervlak tot een grotere warmtedissipatie. Door het roteren van de anode kan telkens een nieuw gebied van het trefoppervlak continu aan de elek-tronenstraal worden aangeboden, die door de kathode wordt geëmitteerd en kan de warmte opgewekt gedurende het opwekken van röntgenstralen op voordelige wijze over een groter gebied worden verdeeld. Door de ro-15 tatie van de anode kan dus een röntgeninrichting met in het algemeen hogere vermogensniveaus werken dan een stationaire anode-inrichting en wordt het probleem van de beschadiging van het trefoppervlak die optreedt in inrichtingen waarbij een stationaire anode wordt gebruikt, vermeden onder de voorwaarde dat de temperatuursgrenzen van het mate-20 riaal van het trefoppervlak niet worden overschreden.

De opgewekte hoeveelheid warmte en de bij een röntgeninrichting bereikte temperaturen kunnen aanzienlijk zijn. Omdat minder dan 0,5% van de energie van de elektronenstraal wordt omgezet in röntgenstralen, terwijl een belangrijk gedeelte van de resterende energie als 25 warmte wordt vrijgegeven, kan de gemiddelde temperatuur van het trefoppervlak van de draaibare anode 1200°C overschrijden waarbij lokale piektemperaturen kunnen optreden die aanzienlijk hoger liggen. De verlaging van deze temperaturen en de afvoer van warmte is kritisch voor elke vermogenstoename. De afvoermogelijkheid van de opgewekte warmte 30 door slechts rotatie van de anode is echter begrensd. Als gevolg daarvan is hoewel er behoefte bestaat aan inrichtingen met een steeds hoger vermogen sinds de draaibare anodes voor het eerst zijn ingevoerd, de ontwikkeling van dergelijke inrichtingen achtergebleven.

Een verder nadeel van bekende inrichtingen is de beperkte levens-35 duur daarvan, die ten dele wordt bepaald door de mogelijkheid van het afvoeren van warmte daarvan. Aangezien röntgeninrichtingen betrekkelijk duur kunnen zijn, zal het verlengen van de levensduur van een dergelijke inrichting aanzienlijke kostenbesparingen tot gevolg hebben.

89008307 , 2

In een röntgeninrichting bepalen de lagers waarop de anode-schacht draait, primair de levensduur van de inrichting. De bij een roterende anode toegepaste lagers worden in het algemeen in het geëvacueerde glasomhulsel aangebracht om de noodzaak van een roterende va-5 cuumafdichting te vermijden. Wanneer de lagers in dit vacuum zijn aangebracht, is echter een speciale smering noodzakelijk, bijvoorbeeld een op de lagers toegepaste zi1verbek!eding die op zichzelf warmtegevoelig kan zijn. De temperatuur van de lagers kan wel 400°C overschrijden, primair als gevolg van de warmtegeleiding vanaf de bodem via de schacht 10 waarop de anode draait naar de lagers. Hierdoor wordt een warmte-inten-sieve en vijandige omgeving voortgebracht, die snel kan leiden tot erosie van de lagers met als gevolg het vastlopen van de schacht en tenslotte een defecte inrichting.

Een juiste koeling teneinde de temperatuur van de lagers van de 15 röntgeninrichting beneden een kritische temperatuur van ongeveer 400°C te houden, zal op voordelige wijze de levensduur van de lagers verlengen en dus van de inrichting zelf. Een dergelijke koeling is voorts gewenst, omdat deze de mogelijkheid biedt van een verhoging van de piekniveaus en de gemiddelde vermogensniveaus boven die van bestaan-20 de röntgeninrichtingen, waardoor de mogelijkheid en de toepasbaarheid van dergelijke inrichtingen beter zijn dan die van de huidige toegepaste inrichtingen.

De in de tijd gemiddelde warmtedissipatie van de röntgenbuis die in een CT-aftaster wordt toegepast, bepaalt het aantal in een tijdspe-25 riode behandelde patiënten. Geschat wordt dat de vereiste gemiddelde uitgangsenergie van de pulsvormige elektronenstraal 12 kw is. Huidige CT-aftastbuizen dissiperen ongeveer 3 kw. Wanneer het treforgaan van de röntgenbuis oververhit raakt, hetgeen optreedt wanneer het aantal te behandelen patiënten wordt verhoogd, moet de tijdsperiode tussen op-30 eenvolgende werkingen van de machine worden verlengd, opdat het treforgaan kan afkoelen. Een röntgenbuis met een hogere dissipatie betekent een verbeterd machinegebruik.

Bepaalde bekende pogingen tot het koelen van röntgeninrichtingen zijn beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.455.504 van 35 Iversen. Zoals in dit octrooischrift is beschreven, wordt gekoeld door het in circulatie brengen van een fluidum door de inwendige ruimte van de anode, waarbij het fluidum in direkt contact staat met de binnenvlakken van de anode. Hoewel een dergelijk systeem de koeling bevordert, is de toepassing van draaibare fluidumafdichtingen noodzakelijk. 40 Aangezien de afdichtingen onderhevig zijn aan lekkage, is de betrouw- 890083 0.

V

3 * baarheid van een dergelijke inrichting laag en is er geen verzekering dat de inrichting een dergelijke lekkage kan overleven.

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een nieuwe en verbeterde röntgentnrichting, waarbij de bovengenoemde nadelen niet optre-5 den.

De uitvinding heeft voorts ten doel te voorzien in een nieuwe en verbeterde röntgeninrichting van hoog vermogen, die een langere bruikbare levensduur heeft dan de levensduur van tot nu toe beschikbare inrichtingen van dit type.

10 De uitvinding heeft ook nog ten doel te voorzien in een nieuwe en verbeterde röntgeninrichting met een verhoogde warmtedissipatie waardoor een continue werking mogelijk is.

De uitvinding voorziet in een röntgeninrichting, omvattende een vacuumomhulsel dat een kathode omgeeft, die een elektronenstraal af-15 geeft en een holle draaibare anode op afstand van de kathode. De anode heeft een hol schijfvormig deel met een ringvormige trefbaan. Het schijfvormige deel is op een eerste buis bevestigd, die zich in axiale richting daarvan uitstrekt. De inwendige ruimten van de holle schijf en de eerste buis staan met elkaar in stromingsverbinding. De anode is 20 voorzien van een trefoppervlak voor de elektronenstraal. Een stationair inzetstuk met een schijfvormig deel is binnen de holle draaibare anode-constructie aangebracht en ligt op afstand daarvan. Het stationaire inzetstuk omvat voorts een tweede en derde buis die elk aan het stationaire schijfvormige deel zijn bevestigd en zich coaxiaal daarvan uit-25 strekken. De tweede buis ligt op afstand van en wordt omgeven door de eerste buis. De derde buis ligt op afstand van en wordt omgeven door de tweede buis. Het stationaire schijfvormige deel begrenst een doortocht die enerzijds in verbinding staat met de inwendige ruimte van de buis, zich beneden het oppervlak van het stationaire schijfvormige deel uit-30 strekt en anderzijds in verbinding staat met de ringvormige ruimte gevormd tussen de tweede en derde buizen. Door middel van lagers is de eerste buis draaibaar gemonteerd op de tweede buis. Huismiddelen omgeven het vacuumomhulsel, welke een doortocht begrenzen om vloeistof over het vacuumomhulsel te laten stromen.

35 Het stationaire inzetstuk bepaalt daardoor een doorlopende interne stromingsbaan waardoorheen een fluïdum in circulatie kan worden gebracht om de bij de anode opgewekte warmte af te voeren, welke warmte een bïjprodukt is van het opwekken van röntgenstralen.

De uitvinding wordt hierna nader toegelicht aan de hand van de te-40 keningen, waarin: 8900830.' o 4

Figuur 1 een dwarsdoorsnede van een bekende röntgeninrichting met een massieve draaibare anode toont; figuur 2 een dwarsdoorsnede van een röntgenbuis volgens de uitvinding weergeeft; en 5 figuur 3 een aanzicht van de holle draaibare anode volgens de uit vinding is, waarbij een gedeelte is weggenomen.

Een bekende röntgenbuis 11 met een draaibare anode is in dwarsdoorsnede in figuur 1 geïllustreerd. Zoals getoond omvat de röntgenbuis 11 een geëvacueerd glasomhulsel 13 dat een draaibare schijf-10 vormige anode 21 omgeeft. De anode 21 heeft een ringvormig trefopper-vlak 23 aan de omtrek van de voorste wand van de anode, welk oppervlak enigszins schuin ten opzichte van de voorwand verloopt. Het ringvormige trefoppervlak omvat een laag van wolfraam!egering die op een wiel is aangebracht dat uit grafiet of molybdeen is vervaardigd. Voorts is bin-15 nen het glasomhulsel 13 een kathode 27 geplaatst. De positie van de kathode ten opzichte van de anode 21 is zodanig dat de elektronenstraal daartussen in hoofdzaak evenwijdig is aan de rotatieas 29 van de anode. De anode 21 is op een as 19 bevestigd die door middel van lagers 25 draaibaar is ondersteund. De anode en de as roteren om de as 29 als ge-20 volgd van de elektromagnetische wisselwerking tussen een stator 15 en een rotor 17, welke laatstgenoemde aan de as 19 is bevestigd.

Een kleine fractie van de energie van de elektronenstraal die het trefoppervlak treft, wordt in röntgenstralen omgezet. De röntgenstralen verlaten de buis via het glasomhulsel. De resterende energie 25 wordt omgezet in warmte die vanaf het trefoppervlak wordt uitgestraald en wordt geabsorbeerd door het glasomhulsel en de koelolie die over het buitenvlak van het glasomhulsel stroomt binnen een buitenhuis 31. De koelolie transporteert de warmte naar een niet getoonde warmtewisselaar.

30 In de fig. 2 en 3 waarin dezelfde elementen met dezelfde verwij zingstekens zijn voorzien, is een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding getoond. Duidelijkheidshalve zijn de buiten het kader van de uitvinding liggende maatregelen, zoals de in figuur 1 getoonde inrichting voor het roteren van de anode weggelaten. Figuur 2 toont een dwarsdoorsnede van 35 een röntgenbuis waarin een geëvacueerd omhulsel 35 een holle roteerbare anode 37 omsluit. De anode 37 omvat een hol schijfvormig deel 39 dat uit een materiaal met een hoge geleidbaarheid is gefabriceerd, welk materiaal bestand is tegen hoge temperaturen, zoals molybdeen. Het schijfvormige deel is bijvoorbeeld door hard solderen bevestigd aan een 40 eerste buis 41 die zich in axiale richting vanaf de schijf uitstrekt.

89 0083 0.' 5

De eerste buis kan bestaan uit een materiaal met een hoge sterkte, zoals roestvast staal. Het schijfvormige deel 39 heeft aan het voorvlak een afgeschuinde rand 43, welk voorvlak het uitwendige vlak van de schijf vormt, dat van de buis 41 is afgekeerd. Het afgeschuinde rand-5 deel is bedekt met een baan uit wolfraam-rhenium, die als trefoppervlak dient. Een kathode 45 die symbolisch is getekend, levert een elektronenbundel met hoge energie en een kleine diameter, die de roterende rand van de schijf treft, waardoor een gedeelte van de energie wordt omgezet in röntgenstralen die via een kwartsvenster 47 het geëva-10 cueerde huis verlaat. Concentrisch in de holle roteerbare anode is een stationair inzetstuk 51 geplaatst, dat een schijfvormig deel 53 en twee buizen 55 en 57 omvat. De buis 55 is binnen de buis 57 aangebracht en beide zijn aan het schijfdeel 53 bevestigd en strekken zich axiaal daarvanaf uit. Het stationaire schijfdeel 53 en de buis 57 liggen op 15 afstand van het schijfdeel 39 van de roteerbare anode respectievelijk de buis 41. De anode is draaibaar om het inzetstuk gemonteerd door middel van lagers 61 die tussen de buizen 55 en 57 zijn geplaatst. De lagers 61 kunnen van een zilverlaag zijn voorzien om een droge smering in vacuum te verkrijgen. De ruimten tussen de schijfvormige delen 39 en 53 20 en de buizen 55 en 57 staan in stromingsverbinding met de inwendige ruimte van het evacueerbare omhulsel 35, zodat wanneer het omhulsel geëvacueerd is, de anode 37 volledig in vacuum kan draaien. De lagers 61 zijn ook in de geëvacueerde ruimte aangebracht.

Uit de figuren 2 en 3 blijkt dat het stationaire schijfdeel 53 een 25 doortocht begrenst, die in stromingsverbinding staat met de inwendige ruimte van buis 55 die zich naar het midden van de schijf uitstrekt juist beneden het oppervlak van de voorzijde van de schijf. De centrale doortocht beneden het schijfoppervlak is verbonden met een aantal zich in radiale richting uitstrekkende kanalen 63 die zich beneden het voor-30 vlak van de schijf in de richting van de omtrek daarvan uitstrekken tot in een verdeelgebied beneden de schijfomtrek van het inzetstuk en zich daarna voortzetten beneden het oppervlak van de achterzijde van de schijf via radiale kanalen om een verbinding tot stand te brengen met de ringvormige doortocht gevormd tussen de buizen 55 en 57.

35 Het evacueerbare buis 35 is aan het uitwendige gedeelte van de buis 57 bevestigd. Een huis 65 omgeeft het evacueerbare huis en ligt op afstand daarvan, waarbij een inlaat en een uitlaat aanwezig zijn voor het invoeren respectievelijk afvoeren van een dielektrisch koelfluidum. Een kwartsvenster 67 in het huis dat in lijn ligt met het kwartsvenster 40 47 in huis 35 maakt het mogelijk dat de röntgenstralen de buis kunnen d9 00 83 0 Γ t 6 verlaten. Het stationaire inzetstuk kan uit roestvast staal worden vervaardigd evenals het geëvacueerde huis 35 en het huis 65.

Tijdens bedrijf valt de elektronenbundel uit de kathode 45 in op de roterende anode 37, waarbij röntgenstralen worden opgewekt, die 5 via de kwartsvensters 47 en 67 de röntgenbuis verlaten. Door de invallende elektronenbundel wordt de anode 37 verhit. De warmte wordt vanaf het roterende trefoppervlak afgevoerd door straling via de va-cuumspleet die het inwendige en uitwendige gedeelte van de roterende anode omgeeft. De warmte wordt vanaf het voor- en achtergedeelte van 10 het schijfvormige deel 39 naar het huis 35 overgedragen en vanaf de inwendige vlakken van de roterende schijf naar het stationaire schijfvormige deel 53 aan de binnenzijde. Om het warmtetransport door straling te bevorderen is een bekleding met een hoge emissie bij hoge temperaturen op het niet door straling getroffen oppervlak van het schijfvormige 15 deel 39 aangebracht en is een laag met een hoge absorptie op het uitwendige gedeelte van het schijfvormige deel van de stationaire schijf aangebracht. Bovendien kunnen beide binnenvlakken die onderhevig zijn aan straling worden voorzien van fijn kool om het warmtetransport tussen de twee onderdelen te vergroten. Het stationaire schijfvormige deel 20 wordt gekoeld door middel van een gedwongen stroming van een dielektrische vloeistof. De kanalen in de doortochten in het inzetstuk verhogen de warmtegeleidbaarheid tussen het stationaire schijfvormige deel en de koelvloeistof. Bij een laminaire stroming in begrensde kanalen is de coëfficiënt van warmtetransport tussen het te koelen oppervlak en de 25 vloeistof omgekeerd evenredig met de kanaal breedte, zodat microscopische kanalen gewenst zijn. De viscositeit van het koelmiddel bepaalt de minimale praktische kanaal breedte. Dwarsdoorsneden van de kanalen met een sterke slankheid verminderen voorts de thermische weerstand. Zie het artikel "High-Performance Heat Sinking for VLSI" van D.B. Tuckerman 30 en R.F.W. Pease verschenen in IEEE Electron Device Letters, vol. EDL-2, no. 5, mei 1981. De richting van de fluidumstroom is in de figuur aangegeven, welk fluidum de buis 55 binnenkomt, de lagers 61 passeert en daarna in radiale buitenwaartse richting door de kanalen beneden het voorvlak van de stationaire schijf stroomt naar het verdeel gebied. De 35 stroming wordt daarna vervolgd door de kanalen beneden het achtervlak van het stationaire schijfdeel naar de ringvormige ruimte gevormd tussen de buizen 55 en 57. De stromingsrichting zou kunnen worden omgekeerd, waarbij het fluidum wordt toegevoerd aan de ringvormige ruimte gevormd tussen de schijven 55 en 57 en na circulatie door het statio-40 naire schijfvormige deel de inwendige ruimte van de buis 55 verlaat.

6900830; 7 i a

Volgens berekeningen kan warmte van 12 kw gemiddeld worden gedis-sipeerd door de röntgenbuis met een anode met een diameter van 10,16 cm, waarbij het omhulsel en het stationaire inzetstuk door middel van een dielektrische vloeistof wordt gekoeld. De berekening had betrekking 5 op een inzetstuk met 168 tapse kanalen beneden elk van de inzetstuk-vlakken. De diameter van de kanalen verloopt van 1,27 cm tot 6,35 cm, waarbij de kanalen een dwarsdoorsnede van 0,3 bij 3,8 mm in het middengedeelte hebben, welke doorsnede groter wordt tot 1,3 bij 5,1 mm aan de omtrek, waarbij de grotere afmeting van het rechthoekige kanaal lood-10 recht staat op het vlak van het inzetstuk. De vereiste stroomsnelheid is 71,9 cm^ per minuut bij 4 atmosfeer door het stationaire inzetstuk, waarbij de vloeistof een hoge dielektrische sterkte en thermische stabiliteit heeft bij hoge temperaturen, zoals een geperfluorineerd fluor-koolstof, die bij de firma 3M Company beschikbaar is onder het merk 15 Fluoroinert® FC-75. Door toepassing van een grotere anodediameter is een groter stationair inzetstuk mogelijk, waardoor de koeling van het trefvlak wordt bevorderd.

De bovengaande beschrijving heeft betrekking op een inrichting voor het opwekken van röntgenstralen met een verhoogde warmtedissipa-20 tiesnel heid, waarbij geen roterende vacuumafdichtingen noodzakelijk zijn.

89008307

Claims

1. Röntgenbuïs omvattende een holle draaibare anode die bestaat uit een hol schijfvormig deel met een ringvormige trefbaan, welk schijfvormige deel is bevestigd aan een eerste buis die zich coaxiaal 5 vanaf het schijfvormige deel uitstrekt, met het kenmerk, dat de inwendige ruimte van de holle schijf en de inwendige ruimte van de eerste buis met elkaar in verbinding staan, dat een stationair inzetstuk is aangebracht, dat bestaat uit een stationair schijfdeel dat binnen de holle schijf van de anode is aangebracht en op afstand daarvan ligt, 10 welk stationaire inzetstuk voorts bestaat uit een tweede en een derde buis die elk aan de stationaire schijf zijn bevestigd en zich coaxiaal daar vanaf uitstrekken, waarbij de tweede buis op afstand ligt van en wordt omgeven door de eerste buis, de derde buis op afstand ligt van en wordt omgeven door de tweede buis en de stationaire schijf een door-15 tocht begrenst die in verbinding staat met de inwendige ruimte van de derde buis aan een uiteinde, zich uitstrekt beneden het oppervlak van de stationaire schijf en aan het andere uiteinde in verbinding staat met de ringvormige ruimte gevormd tussen de tweede en derde buizen, dat lagermiddelen aanwezig zijn voor het draaibaar monteren van de eerste 20 buis op de tweede buis, dat een kathode-inrichting is aangebracht die gericht is naar het ringvormige trefvlak voor het opwekken van een elektronenbundel en dat een vacuumomhulsel de holle roteerbare anode en de kathode omgeeft, waarbij de inwendige ruimte van de holle roteerbare anode in verbinding staat met de inwendige ruimte van het vacuumomhul-25 sel.

2. Röntgenbuis volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een huismiddel het vacuumomhulsel omgeeft, waarbij een doortocht wordt gevormd waardoorheen koelvloeistof over en langs het vacuumomhulsel kan stromen. 30

3. Röntgenbuis volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de doortocht in het stationaire schijfdeel wordt gevormd door een aantal kanalen beneden het oppervlak van de schijf, welke kanalen zich vanaf het middengedeelte van de schijf naar de omtrek daarvan uitstrekken.

4. Röntgenbuis volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de ka-35 nalen zich in radiale richting aan de benedenzijde van beide cirkelvormige vlakken van het schijfvormige deel uitstrekken naar de omtrek van het schijfvormige deel, waarbij de kanalen aan beide zijden met elkaar in verbinding staan. +++++++++++++ 83 00 83 o: