Beschreibung
Röntgenstrahier mit zwangsgekühlter Drehanode
Die Erfindung bezieht sich auf einen Röntgenstrahier mit zwangsgekühlter Drehanode, entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei Röntgenröhren auf der Basis von Drehkolbenröhren wird die gesamte Röhre mechanisch in schneller Drehung gehalten und der Elektronenstrahl magnetisch auf den Fokus festgehalten. Der Zwischenraum zwischen Röhre und Strahlergehäuse ist bei bekannten solchen Röntgenröhren (DE 197 41 750 AI) mit einem geeigneten flüssigen Kühlmittel, in der Regel Öl, gefüllt. Die Olfüllung dient einerseits dazu, die an der Anode entstehende Wärmemenge abzuführen, und andererseits, die Hochspannungen, positiv an der Anode und negativ an der Kathode, gegen das auf Masse liegende Strahlergehäuse ausreichend zu isolieren. Ein solches geschlossenes System mit globaler Öl- füllung bringt mehrere Probleme mit sich.
Zum einen ist die aufzuwendende Drehleistung bei den heute geforderten Drehzahlen (>100 U/sec) wegen der sehr hohen Reibungsverluste erheblich; sie kann, wenn überhaupt, nur durch einen vergleichsweise hohen konstruktiven Aufwand reduziert werden. Zum anderen muß die Olfüllung sehr sorgfältig in das Röhrengehäuse eingebracht werden um eine Blasenbildung zu vermeiden. Bei Röhrenbetrieb kann nämlich eine Dampfblasen- bildung durch Kavitation im Isolationsbereich zu erheblichen Problemen hinsichtlich der Hochspannungsfestigkeit führen. Auch das Ableiten der Verlustwärme von der Drehanode ist problematisch .
Bei dem oben erwähnten bekannten Röntgenstrahier hat man ver- sucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß man zur Rückkühlung des Öls einen externen Wärmetauscher vorgesehen und den Zu- und Ablauf des Öls an Stellen des Strahlergehäuses ange-
ordnet hat, an denen durch die Rotation des Drehkolbens ein Unter- bzw. Überdruck erzeugt wird.
Alternativ zur Kühlung der Anode mit Öl ist es auch bekannt, die Anode mit einem Kühlgas zu kühlen, wobei der besseren
Wärmeableitung wegen die Röhre an ihrer Außenseite mit kreisförmigen Rippen versehen werden kann, die gleichsam auch zum Antrieb für die Röhre herangezogen werden können (EP 0 187 020 Bl) .
In der US-PS 4 418 421 wird auf einen Stand der Technik hingewiesen, der besagt, zur Einsparung von Gewicht anstelle einer Ölkühlung der Anode eine Gaskühlung mit Schwefel- hexafluorid (SF6) vorzusehen. Als nachteilig wird bei solchen Ausführungen jedoch angesehen, daß die insbesondere bei
Hochleistungsröhren im Bereich von 70 bis 100 kv entstehende vergleichsweise große Wärme zu einer Reduktion der Isolierfähigkeit des Gases führen kann.
In der genannten US-Patentschrift wird noch auf einen weiteren Stand der Technik hingewiesen, der besagt, die beiden Medien Öl und Gas physikalisch zu trennen und die Röntgenröhre in einem ersten, mit Öl gefüllten Gehäuse unterzubringen, und die Hochspannungsteile in einem zweiten Gehäuse an- zuordnen in dem die Gasfüllung eingebracht ist. Die beiden separaten Gehäuse sind zwar elektrisch und mechanisch miteinander verbunden, die beiden Medien sind jedoch voneinander isoliert angeordnet. Eine diesbezügliche Ausführung ist jedoch vergleichsweise aufwendig.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röntgenstrahier der eingangs genannten Art anzugeben mit dem sich die Nachteile der bekannten Röntgenstrahier vermeiden lassen. Der Röntgenstrahier soll insbe- sondere eine zuverlässige, von der Drehzahl unabhängige Isolation der Hochspannungsteile sicherstellen und eine geringere Reibleistung aufweisen, so daß die Röntgenröhre mit
höherer Drehzahl und geringerer Reibleistung als bisher betrieben werden kann.
Erfindungsgemäß werden die Funktionen der elektrischen Isola- tion und der Kühlung der Anode getrennt ohne jedoch die beiden dafür vorgesehenen Medien im Röhrengehäuse physikalisch voneinander zu trennen. Das Isoliergas ist im Strahlergehäuse so eingebracht, daß es physikalisch nicht von der Kühlmittelführung getrennt ist.
Um in etwa die gleiche Isolationsfestigkeit wie mit Öl zu bekommen, werden die Hochspannungsteile vorteilhafterweise mit Schwefelhexafluorid (SFβ) bei einem Gasdruck von ca. 3 bar beaufschlagt. Das Gas ist unter diesen Bedingungen ein her- vorragender Isolator und bis zu mehreren hundert Grad Celsius chemisch völlig innert.
Die Kühlmittelkühlung ist als offenes Kühlsystem ausgebildet wodurch ein Ausdehnungsgefäß entbehrlich und der Austausch von Röhre und Kühlmittel erleichtert ist. Zur Kühlung des thermisch stark belasteten Anodentellers wird vorzugsweise Öl verwendet, welches mit Hilfe einer Förderpumpe aus einem Reservoir konzentrisch zur Lagerachse der Anode zugeführt, dann über enge Spalte zunächst entlang der Röhrenaußenseite des Anodentellers und entlang des Strahlenaustrittsfensters zwangsgeführt, anschließend über ein oder gegebenenfalls mehrere an der Röhre angeordnete Prallscheiben radial in das Strahlergehäuse abgeleitet. Das Reservoir ist vorteilhaf erweise innerhalb des Strahlergehäuses angeordnet und als offene Wanne ausgebildet. Die Wanne kann auch, zusammen mit der Förderpumpe, extern des Strahlergehäuses angeordnet und als Wärmetauscher ausgebildet sein.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, daß der Röntgenstrahler nur einen Bruchteil der bei bisherigen Strahlern bekannten Reibleistung aufweist, so daß die
Röhre mit vergleichsweise hohen Drehzahlen bei geringeren Reibverlusten betrieben werden kann.
Der im Strahlergehäuse fest angeordnete Führungskörper kann, wenn dies die konstruktiven Gegebenheiten zulassen, mit Vorteil zumindest teilweise von Wandungen des Strahlergehäuses selbst gebildet sein. Um das Ableiten des an der Prallscheibe ausspritzenden Kühlmittels zu optimieren, kann der Führungs- körper mit einem haubenartigen Leitelement, welches vorteil- hafterweise im Querschnitt halbringförmig ausgebildet ist, versehen sein. Sofern erforderlich, kann die Prallscheibe mehrfach an der Drehkolbenröhre vorhanden sein und lamellenartig in den feststehenden Führungskörper eingreifen. Die Prallscheiben bzw. Lamellen bestehen vorteilhaf erweise we- nigstens teilweise aus elastischem Material und liegen mit den elastischen Teilen axial und/radial an den entsprechenden Flächen des Führungskörpers an. Damit ist sichergestellt, daß möglichst wenig Kühlmittel in den restlichen Teil des Strahlergehäuses gelangen kann. Die lammellenartig vorgesehe- nen Prallscheiben müssen lediglich gegen Spritzöl abdichten.
Das Kühlsystem ist mit Vorteil als offenes Kühlsystem ausgebildet, wobei als Kühlmittel vorzugsweise Öl eingesetzt wird, welches mit Hilfe einer Pumpe von einer offenen Ölwanne zu- nächst zwangsgeführt zu den zu kühlenden Teilen geleitet wird, und dann ohne Zwangsführung wieder zurück in die Ölwanne fließt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführung eines Röncgenstrahlers im Längsschnitt, und
Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1, vergrößert dargestellt
Die Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Aus- führungsform eines Röntgenstrahlers nach der Erfindung im Längsschnitt. In einem allgemein mit 1 bezeichneten Strahler- gehäuse ist in bekannter Weise eine Drehkolbenröhre 2 rotierbar gelagert, deren Kathode mit 3, und deren Anodenteller mit 4 bezeichnet sind. Der Antrieb der Drehkolbenröhre 2 erfolgt mittels eines Motors 5 der in einer ersten Gehäusekammer 6 angeordnet ist. Die Gehäusekammer 6 ist im Bereich der An- triebswelle mittels Dichtring 7 gegen Eindringen von Öl und Gas geschützt.
Mit 8, 9, und 10 sind weitere Gehäusekammern bezeichnet, die gegeneinander nicht abgedichtet, also zueinander offen sind. Hierzu können in den Gehäusewandungen entsprechende Öffnungen 11 vorhanden sein.
In der Gehäusekammer 10 befindet sich ein feststehender Führungskörper 12 der im wesentlichen im Bereich des Anodentel- lers 4 um die Drehkolbenröhre 2 herum angeordnet ist. Der
Führungskörper 12 wird teilweise von Wandungen 13 des Gehäuses 1 bzw. der Gehäusekammer 10 gebildet, ansonsten von einem separaten, ein- oder mehrteiligen Formteil 14. Die Teile sind so gestaltet, daß unterhalb der Röhre eine offene Wanne 15 zur Aufnahme von Kühlöl gebildet und ausreichend Raum zur Unterbringung einer Förderpumpe 16 vorhanden ist. Der Führungskörper 12 ist weiterhin so gestaltet, daß das von der Förderpumpe 16 aus der Wanne 15 geförderte Öl zunächst konzentrisch zur anodenseitigen Lagerachse 17 der Drehkolben- röhre 2 zugeführt und dann, unter Bildung eines schmalen
Spaltes 18 von ca. 1 bis 10 mm entlang der Röhrenaußenseite des Anodentellers 4 und des umlaufenden Strahlenaustrittsfensters 20 zwangsgeführt wird. Unmittelbar danach trifft das Öl auf eine an der Röhre angeordnete erste Prallscheibe 21 die das Öl umlenkt und radial über einen Spalt 19 nach außen in das Gehäuse abführt (siehe auch Fig. 2). Das an der Austrittsstelle abgeschleuderte Öl wird von einem am Führungskörper 12
angeordneten haubenar igen, im Querschnitt halbringförmigen Leitelement 22 abgefangen. Das Leitelement 22 dient in erster Linie als Spritzschutz und soll ein unkontrolliertes Bespritzen der Gehäusekammer 10 und der benachbarten Kammern verhin- dem .
Sofern erforderlich kann, wie in der Fig. 1 gezeigt, auf der Drehkolbenröhre eine zweite Prallscheibe 23 vorgesehen sein. Die beiden Prallscheiben 21 und 23 greifen lamellenartig in den Führungskörper 12 ein. Zumindest die freien Enden der
Prallscheiben bestehen aus elastischem Material und liegen an korrespondierenden Flächen des Führungskörpers leicht an. Auf diese Weise kann wenig Öl in den restlichen Teil des Strahlergehäuses gelangen. Die Reibungsverluste können da- durch sehr klein gehalten werden.
Das Öl fließt nach dem Aufprall auf das Leitelement 22 ohne Zwangsführung zurück in die Wanne 15. Im Führungskörper 12 können hierzu an geeigneten Stellen entsprechende Öffnungen oder Ausnehmungen 24 vorhanden sein.
Wie bereits angesprochen, benötigt das nach Art einer Druckumlaufschmierung arbeitende Kühlsystem, kein Ausdehnungsgefäß wie die bekannten Röhrenkühlsysteme . Das Ölreservoir (Wanne 15) kann relativ klein gehalten werden. Mit Vorteil kann das Reservoir auch als externer Wärmetauscher ausgelegt und so angeordnet sein, daß die ebenfalls extern angeordnete Förderpumpe kein Gas ansaugen kann. Ein Ansaugen muß deshalb vermieden werden, um lokale Überhitzungen des Anodentellers und des Strahlenaustrittsfensters und Ölanbackungen zu verhindern .
Die Isolation der Hochspannungteile, die im Einzelnen hier nicht aufgezeigt sind und die vornehmlich in den Gehäusekam- mern 8 und 9 angeordnet sind, wird im Strahlergehäuse 1 generell von einer Druckfüllung mit Gas, vorzugsweise mit Schwe- felhexafluorid (SFβ) übernommen. Um mindestens die gleiche
Isolationsfähigkeit wie mit Öl zu bekommen, wird der Gasdruck auf ca. 3 bar festgelegt.