CH644970A5

CH644970A5 - Drehanoden-roentgenroehre mit axialem magnetlager und radialem gleitlager.

Info

Publication number: CH644970A5
Application number: CH349580A
Authority: CH
Inventors: Jan Gerkema; Evert Marius Hendrik Kamerbeek
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1979-05-08
Filing date: 1980-05-05
Publication date: 1984-08-31
Also published as: DE3017291A1; US4357555A; ES491187A0; FR2456383A1; ES8101327A1; DE3017291C2; GB2055432B; FR2456383B1; JPH0352175B2; JPS55151756A; GB2055432A; NL7903580A

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer um eine Achse drehbaren, mit einem von einem ausserhalb der Röhre angeordneten Motorständer angetriebenen Motorläufer verbundenen Drehanode, die axial und radial mit Hilfe eines Lagersystems gelagert ist.

Eine derartige Röntgenröhre eignet sich insbesondere für Verwendung als Strahlungsquelle in Geräten für medizinische Röntgendiagnostik.

Aus der US-PS 2 293 527 ist eine Röntgenröhre der eingangs erwähnten Art bekannt, bei der das Lagersystem mit zwei Kugellagern versehen ist. Um den Verschleiss der Kugellager in einer derartigen Röntgenröhre möglichst zu beschränken, wird die Drehanode nur dann angetrieben,

wenn die Röntgenröhre Strahlung aussendet. Trotz dieser Massnahme ist die Lebensdauer der Röntgenröhre kurz, weil die Kugellager eine kurze Lebensdauer besitzen. Dies wird insbesondere dadurch verursacht, dass ein Teil der Wärme, die im Betrieb in der Anode erzeugt wird, von den Lagern abgeleitet wird, wobei die mittlere Temperatur der Kugellager auf etwa 300 3C ansteigen kann. Ausserdem müssen die

Kugellager in Vakuum arbeiten. Unter derartigen Bedingungen können Kugellager nicht ausreichend geschmiert werden, weshalb Kugellager verwendet werden müssen, die zur Vermeidung von Festlaufen ein ausreichend grosses Spiel aufweisen. Hiedurch läuft die Röntgenröhre geräuschvoll, was für einen Patienten bei einer Untersuchung in einem Gerät, das mit einer derartigen Röntgenröhre ausgerüstet ist, besonders unangenehm ist. Die Lebensdauer der Kugellager wird zusätzlich verkürzt, weil der Röhrenstrom durch die Lager geführt und Funkenerosion ausgelöst wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehano-den-Röntgenröhre zu schaffen, die einen einfachen Aufbau hat und deren Lager eine grössere Lebensdauer haben. Diese Aufgabe wird bei einer erfindungsgemässen Röntgenröhre dadurch gelöst, dass das Lagersystem mit einem axialen Magnetlager und mit zumindest einem radialen Gleitlager versehen ist, dessen miteinander zusammenarbeitende Metalltragflächen nicht wesentlich von einer die Tragflächen molekular benetzenden Schicht angegriffen werden, die aus einem flüssigen Metall oder einer flüssigen Metallegierung besteht, dessen bzw. deren Dampfdruck bei 300 °C niedriger als 10~5 Pa ist. Unter Molekularbenetzung der Tragflächen durch diese Schicht sei hier eine Benetzung verstanden, bei der zwischen den Metallatomen in der Tragfläche und den Atomen in der erwähnten Schicht eine direkte Wechselwirkung besteht. Eine derartige Benetzung ist so gut, dass die Tragflächen unter Belastung des Lagers in der Röntgenröhre völlig voneinander getrennt sind, wobei «Einfressen» (sich miteinander verschweissen) vermieden ist. Da weiter sowohl im Stillstand als auch bei der Drehung des Lagers das flüssige Metall oder die flüssige Metallegierung nicht aus dem Lager herausgestaut wird, ist ein Festlaufen des Lagers vermieden und sind sowohl der Verschleiss als auch die Lärmerzeugung der Röntgenröhre gering. Im Betrieb kann sowohl der Röhrenstrom als auch die Wärme, die in der Anode erzeugt wird, durch das Lager gut geführt werden, weil Metalle verhältnismässig gute Elelctrizitäts- und Wärmeleiteigenschaften besitzen. Das Lager kann daher für lange Zeit, beispielsweise für einen Arbeitstag, in kontinuierlichem Betrieb sein, wobei der Röhrenstrom nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden kann. Ausser einer langen Lebensdauer, einer geringen Lärmerzeugung und guten Elektrizitäts- und Wärmeleiteigenschaften besitzt das radiale Gleitlager, das nichts anderes als eine eine Achse eng umschliessende Büchse zu sein braucht, zusätzlich einen besonders einfachen und dadurch preisgünstigen Aufbau.

Es sei bemerkt, dass aus der FR-PS 919 839 ein Lagersystem bekannt ist, das mit einem axialen Magnetlager und mit zwei radialen Gleitlagern versehen ist. Die Gleitlager enthalten eine mit einem Lagerständer verbundene Lagerbuchse, die eine zu lagernde Achse umschliesst, wobei als Schmiermittel Öl, Fett oder Wasser benutzt wird. Derartige Gleitlager eignen sich jedoch nicht zur Verwendung in Röntgenröhren, weil bei den dort üblichen Drehzahlen die erwähnten Schmiermittel durch ihre geringe Oberflächenspannung aus dem Lager herausgestaut werden, wodurch es festlaufen kann. Auch könnte bei der Verwendung derartiger Gleitlager weder der Röhrenstrom noch die in der Anode erzeugte Wärme durch die Lager hindurchgeführt werden, weil die erwähnten Schmiermittel sowohl für Elektrizität als auch für Wärme Isolatoren sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Röntgenröhre ist dadurch gegeben, dass das axiale Magnetlager mit einem Lagerständer mit einem durch ausserhalb der Röhre angeordneten Magneten magnetisierbaren Magnetjoch versehen ist, das koaxial zu einer Welle verlaufende, in Richtung der Welle gegeneinander versetzte ringförmige gerillte Polflächen aufweist, die Spalte mit koaxial ver5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

o5

3

644 970

laufenden entsprechend gerillten Polflächen eines zylinderförmigen, mit der Drehanode verbundenen Lagerläufers ein-schliessen, der mit dem Magnetjoch des Lagerständers einen geschlossenen Magnetkreis bildet, in dem der Motorständer und der Motorläufer angeordnet sind.

Da der die Drehanode antreibende Elektromotor, der den Motorständer und den Motorläufer enthält, von einem geschlossenen Magnetkreis umgeben ist, werden durch in diesem Motor hindurchfliessende Wechselströme erzeugte Streufelder abgeschirmt. Hierdurch werden Störungen im Elektronenstrahl innerhalb der Röhre und in anderen Geräten ausserhalb der Röhre begegnet.

Eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäs-sen Röntgenröhre mit einem kompakten Aufbau ist dadurch gegeben, dass das axiale Magnetlager den Motorständer und den Motorläufer enthält, wobei der Motorständer mit einem Magnetjoch mit einer koaxial verlaufenden, ringförmig gerillten Polfläche versehen ist, die einen Spalt mit einer koaxial verlaufenden, entsprechend gerillten Polfläche des Motorläufers einschliesst. Der Magnetkreis des Motors wird hier als Magnetkreis eines axialen Magnetlagers benutzt, was sowohl einen derartigen Kreis als auch einen Magneten für seine Magnetisierung erspart.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Röntgenröhre nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Röntgenröhre mit einem Elektromotor, der ebenfalls als axiales Magnetlager für die Drehanode dient,

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III der in Fig. 2 dargestellten Röntgenröhre.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemässe Röntgenröhre mit einer eine Drehanode 1 tragenden Welle 2 dargestellt, die mit Hilfe eines Lagersystems gelagert ist, das ein axiales Magnetlager 3 und zwei radiale Gleitlager 4 und 5 enthält. Das Gleitlager 4 besteht aus einer die Welle 2 eng umschliessenden Lagerbuchse 6, die in einem Metallbecher 7 befestigt ist, der an der dem Lager 4 abgewandten Seite mit einem Stift 8 versehen ist, an den die Röhrenspannung angelegt werden kann. Der Metallbecher 7 ist mit Hilfe eines Isolators 9 aus dichtgesintertem AbCh mit einer rostfreien Stahlrohrwand 10 verbunden. Das Gleitlager 5 besteht aus einer die Achse 2 eng umschliessenden Lagerbuchse 11, die mit Hilfe eines Isolators 12 aus dichtgesintertem AbCh mit der Röhrenwand 10 verbunden ist. Sowohl die Welle 2 als auch die Lagerbuchsen 6 und 11 bestehen vorzugsweise aus einem der Metalle W und Mo oder aus einer Legierung von W und Mo. Zwischen der Welle 2 und den Lagerbuchsen 6 und 11 werden Lagerspalte eingeschlossen, die mit einer als Schmiermittel dienenden Schicht aus Ga oder einer Ga-Legierung gefüllt sind, deren Schmelzpunkt bei einer Temperatur unter 25 °C liegt, und deren Dampfdruck bei 300 °C niedriger als 10 5 Pa ist, wie es beispielsweise bei den binären eutektischen Zusammensetzungen von 76 Ga-24 In und 92 Ga-8 Sn, die bei 16,5 °C bzw. 20,0 °C schmelzen, der Fall ist (mit den Zahlen vor den chemischen Symbolen werden Gewichtsprozente angegeben). Auch eignet sich die ternäre eutektische Zusammensetzung 62 Ga-25 In—13 Sn, die bei 5 °C schmilzt. Die erwähnte Schicht besteht aus Ga oder aus einer Ga-Legierung und benetzt die Achse 2 und die Lagerbuchsen 6 und 11 molekular, womit gemeint ist, dass zwischen den Metallatomen in der Schicht und den Metallatomen der Welle 2 und der Lagerbuchsen 6 und 11 eine direkte Wechselwirkung möglich ist. Dies bedeutet, dass zwischen der Schicht aus Ga oder aus einer Ga-Legierung und der Welle 2 und den Lagerbuchsen 6 und 11 weder eine Oxidschicht des Metalls der Achse oder der Lagerbuchsen noch eine Oxidschicht von Ga oder von einer der Komponenten der Ga-Legierung vorhanden ist.

Eine derartige Benetzung kann beispielsweise durch Erhitzung der Welle 2, der Lagerbuchsen 6 und 11 und des Ga oder der Ga-Legierung in einer reduzierenden Umgebung, beispielsweise in H:-Gas, für einige Zeit bei 800 °C verwirklicht werden. Etwa vorhandene Oxide werden dabei reduziert. Werden anschliessend in der gleichen Umgebung, gegebenenfalls bei einer niedrigeren Temperatur, die Lagerteile und das Ga oder die Ga-Legierung miteinander in Berührung gebracht, so entsteht die gewünschte Molekularbenetzung. Diese Benetzung ist so gut, dass die Welle 2 und die Lagerbuchsen 6 und 11 im Ruhezustand und im Betrieb in der Röntgenröhre völlig voneinander getrennt sind, und ein «Ein-fressen» (sich miteinander verschweissen) der Tragflächen ausgeschlossen ist und das Ga oder die Ga-Legierung nicht aus dem Lager herausgestaut wird. Die Welle 2 ist im Bereich der Lagerbuchsen 6 und 11 mit Spiralrillen 13 versehen, wodurch das Ga oder die Ga-Legierung noch zusätzlich in das Lager hineingestaut wird. Hierdurch erhalten die Lager 4 und 5 eine zusätzliche grosse dynamische Stabilität.

Da die Welle 2 und die Lagerbuchsen 6 und 11, die aus einem der Metalle W und Mo oder aus einer Legierung von W und Mo hergestellt sind , nicht wesentlich von Ga oder von der Ga-Legierung angegriffen werden und weil ein Magnetlager im allgemeinen und also auch das axiale Magnetlager 3 insbesondere ohne mechanische Berührung zwischen stillstehenden und rotierenden Teilen arbeitet, besitzen die Lager 3, 4 und 5 und besitzt damit die Röntgenröhre eine grosse Lebensdauer, so dass die Drehanode 1 für längere Zeit, z.B. einen Arbeitstag, kontinuierlich drehen kann, wobei nach Bedarf der Röhrenstrom ein- und ausgeschaltet werden kann. Der Röhrenstrom wird durch Anlegen einer Hochspannung zwischen dem Stift 8 und einer Kathodenanordnung 14 eingeschaltet. Von der Kathodenanordnung 14 aus werden dabei Elektronen beschleunigt, die in der Drehanode 1 ein Röntgenstrahlungsbündel erzeugen, das durch ein in der Röhrenwand angebrachtes Fenster 15 aus der Röhre austreten kann.

Es sei bemerkt, dass die Welle 2 und die Lagerbuchsen 6 und 11 auch aus einem Metall hergestellt werden können, das leichter als W oder Mo bearbeitbar ist, wie z.B. Stahl. In diesem Fall können die Lager 4 und 5 jedoch nicht mit Ga oder mit Ga-Legierungen geschmiert werden, weil andere Metalle als W und Mo vom Ga wesentlich angegriffen werden, was die Lebensdauer der Lager 4 und 5 verkürzt. Werden die Welle 2 und die Lagerbuchsen 6 und 11 aus Stahl hergestellt, so ist eine Schmierung beispielsweise mit einer Legierung mit der Zusammensetzung 49 Bi-18 Pb 12 Sn-21 Iw möglich. Da jedoch diese Legierung bei 58 °C schmilzt, kann das Lager nur dann rotieren, wenn seine Temperatur höher als 58 °C ist. Dies bedeutet, dass bei der Verwendung einer Röntgenröhre mit derartigen Lagern, bevor die Drehung der Drehanode 1 gestartet werden kann, diese Röntgenröhre vorgeheizt werden muss, was bei den in obiger Beschreibung erwähnten Materialverbindungen nicht erforderlich ist.

Das axiale Magnetlager 3 ist mit einem Lagerständer 20 mit einem durch einen ausserhalb der Röhre angeordneten ringförmigen Dauermagneten 21 magnetisierbaren Magnetjoch 22 mit koaxial zu der Welle 2 verlaufenden Polflächen 23 versehen, die ringförmige Rillen 24 aufweisen. Die Polflächen 23 schliessen Spalten mit koaxial mit der Welle 2 verlaufenden Polflächen 25 des an der Welle 2 befestigten zylinderförmigen Lagerläufers 26 ein. Die Polflächen 25 sind durch ringförmige Rillen 27 auf entsprechende Weise wie bei den Polflächen 23 gerillt, die deshalb durch anziehende vom Dauermagneten 21 ausglöste Kräfte direkt aufeinander ausgerichtet werden. Hiermit ist die Welle 2 axial gelagert.

Das Magnetjoch 22 des Lagerständers 20 und des Lagerläufers 26 bilden einen geschlossenen Magnetkreis, in dem

5

lü

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

644 970

4

ein Motorständer 28 und ein mit dem Lagerläufer 26 verbundener Motorläufer 29 angeordnet sind. Der Motorständer 28, der hierzu an eine Wechselstromquelle 30 angeschlossen ist, erzeugt im Betrieb ein rotierendes Magnetfeld, das den Motorläufer 29 antreibt. Der erwähnte geschlossene Magnet- 5 kreis schirmt durch die Wechselströme im Motorständer 28 verursachte Streufelder ab, wodurch eine Beeinflussung des Elektronenstrahls in der Röhre und in Geräten ausserhalb deF Röhre unterbleibt.

In Fig. 2 und 3 ist im Querschnitt entlang der Linie III-III io in Fig. 2 eine erfindungsgemässe Röntgenröhre mit einem Elektromotor dargestellt, der auch als axiales Magnetlager für die Drehanode dient, wobei für entsprechende Teile gleiche Bezugsziffern wie in Fig. 1 benutzt sind. Das axiale Magnetlager 3 enthält den Motorständer 35 und den Motorläufer 36, is wobei der Motorständer 35 mit einem Magnetjoch 37 mit einer koaxial mit der Welle 2 verlaufenden Polfläche 38 ausgerüstet ist, die mit ringförmigen Rillen 39 versehen ist. Die Polfläche 38 schliesst einen Spalt mit einer koaxial mit der

Welle 2 verlaufenden Polfläche 40 des an der Welle 2 befestigten zylinderförmigen Motorläufers 36 ein, der durch ringförmige Rillen 41- wie bei der Polfläche 38 gerillt ist. Der Motorständer 37 ist mit einer Anzahl die Polfläche 38 in Sektoren verteilender Öffnungen 42 versehen, in denen Magnetspulen 43 angeordnet sind. Im Betrieb erzeugen die Wechselströme durch die Magnetspulen 43 im Magnetjoch 37 und im Motorläufer 36 rotierende Magnetfelder, die nicht nur den Motorläufer 36 antreiben, sondern auch die Polflächen 38 und 40 mit den darin angeordneten Rillen 39 und 41 direkt aufeinander ausrichten, so dass die Drehanode 1 auch axial gelagert ist.

Da nach dem Ausschalten der Wechselströme nicht nur der Antrieb der Drehanode 1, sondern auch ihre Lagerung fortfällt, ist die Röntgenröhre mit zwei als Fanglagern dienenden Kugellagern 45 versehen. Die Kugellager 45 lagern die Welle 2, wenn das axiale Magnetlager 3 nicht erregt ist derart, dass sich die Polflächen 38 und 40 des Motorständers 35 und des Motorläufers 36 nicht berühren.

G

2 Blatt Zeichnungen

Claims

644 970

1. Röntgenröhre mit einer um eine Achse drehbaren, mit einem von einem ausserhalb der Röhre angeordneten Motorständer angetriebenen Motorläufer verbundenen Drehanode, die axial und radial mit Hilfe eines Lagersystems gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem mit einem axialen Magnetlager (3) und mit zumindest einem radialen Gleitlager (4, 5) versehen ist, dessen miteinander zusammenarbeitende Metalltragflächen nicht wesentlich von einer die Tragflächen molekular benetzenden Schicht angegriffen werden, die aus einem flüssigen Metall oder einer flüssigen Metallegierung besteht, dessen bzw. deren Dampfdruck bei 300 °C niedriger als 10"5Pa ist.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das axiale Magnetlager (3) mit einem Lagerständer (20) mit einem durch ausserhalb der Röhre angeordnete Magneten (21) magnetisierbaren Magnetjoch (22) versehen ist, das koaxial zu einer Welle (2) verlaufende, in Richtung der Welle gegeneinander versetzte ringförmige gerillte Polflächen (23) aufweist, die Spalte mit koaxial verlaufenden, entsprechend gerillten Polflächen (25) eines zylinderförmigen, mit der Drehanode (1) verbundenen Lagerläufers (26) ein-schliessen, der mit dem Magnetjoch des Lagerständers (22) einen eingeschlossenen Magnetkreis bildet, in dem der Motorständer (28) und der Motorläufer (29) angeordnet sind.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das axiale Magnetlager (3) den Motorständer (35) und den Motorläufer (36) enthält, wobei der Motorständer (35) mit einem Magnetjoch (37) mit einer koaxial verlaufenden, ringförmig gerillten Polfläche (39) versehen ist, die einen Spalt mit einer koaxial verlaufenden, entsprechend gerillten Polfläche (40) des Motorläufers (36) einschliesst (Fig. 2).

4. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander zusammenarbeitenden Tragflächen des radialen Gleitlagers (4, 5) aus einem der Metalle W und Mo oder aus einer Legierung von W und Mo bestehen, wobei die die Tragflächen benetzende Schicht aus Ga oder einer Ga-Legierung besteht, dessen bzw. deren Schmelzpunkt bei einer Temperatur unterhalb von

25 °C liegt.

5. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der miteinander zusammenarbeitenden Tragflächen des radialen Gleitlagers (4,5) mit Spiralrillen (13) versehen ist