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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Röntgenröhren und
im Einzelnen auf eine Röntgenröhrenlageranordnung
mit einem Lagerkäfig darin.
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Röntgensysteme
enthalten typischerweise eine Röntgenröhre, einen
Detektor und eine Lageranordnung, um die Röntgenröhre und den Detektor zu lagern.
Im Betrieb ist zwischen der Röntgenröhre und dem
Detektor ein Bildgebungstisch angeordnet, auf dem sich ein Objekt
befindet. Die Röntgenröhre sendet
typischerweise Strahlung, wie etwa Röntgenstrahlen, auf das Objekt
aus. Die Strahlung tritt typischerweise durch das Objekt auf dem
Bildgebungstisch hindurch und trifft auf den Detektor auf. Wenn die
Strahlung durch das Objekt hindurch tritt, verursachen die inneren
Strukturen des Objektes räumliche Unterschiede
in der an dem Detektor empfangenen Strahlung. Der Detektor sendet
dann die empfangenen Daten aus, und das System übersetzt die Strahlungsunterschiede
in ein Bild, das zum Auswerten der inneren Strukturen des Objektes
verwendet werden kann. Ein Fachmann erkennt, dass das Objekt ohne
eine Beschränkung
darauf einen Patienten bei einem medizinischen Bildgebungsvorgang
wie auch ein lebloses Objekt, wie etwa ein Paket bzw. Gepäckstück in einem
Computertomographie(CT)-Paketscanner
enthalten kann.
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Röntgenröhren enthalten
zum Zweck der Verteilung der an einem Brennfleck erzeugten Wärme eine
rotierende Anodenanordnung. Die Anode wird typischerweise durch
einen Induktionsmotor mit einem zylindrischen Rotor gedreht, der
in eine freitragende Achse eingebaut ist, die ein scheibenförmiges Anodentarget
und eine Statoranordnung aus Eisen mit Kupferwicklungen trägt, die
einen verlängerten Hals
der Röntgenröhre umgibt.
Der Rotor der rotierenden Anodenanordnung wird durch den Stator
angetrieben. Eine Röntgenröhrenkathode
liefert einen fokussierten Elektronenstrahl, der über einem
Anode/Kathode-Vakuumspalt beschleunigt wird und beim Auftreffen
auf die Anode Röntgenstrahlung
erzeugt. Wegen der hohen Temperaturen, die beim Auftreffen des Elektronenstrahls
auf das Target erzeugt werden, ist es notwendig, die Anodenanordnung
mit einer hohen Drehzahl zu drehen. Dies stellt hohe Anforderungen
an die Lageranordnung, die Werkzeugstahlkugellager und Werkzeugstahllaufbahnen
enthält.
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Die
in Röntgenröhren verwendeten
Lager müssen
in einem Vakuum arbeiten, was eine Schmierung mit konventionellen
feuchten Lagerschmiermitteln, wie etwa Fett oder Öl ausschließt. Die
Wälzkörper des
Röntgenröhrenlagers
(d. h. die Lagerkugeln) sind typischerweise mit einer festen Schicht
oder einem Tribosystem aus einem Metall mit Schmiereigenschaften,
wie etwa Silber, Blei oder Bleizinn beschichtet. Das schmierende
Metall, das die Lagerkugeln überzieht,
trägt zur
Verringerung der Reibung zwischen benachbarten Kugeln sowie zwischen
den Kugeln und der Laufbahn bei. Trotz der Schmiermetallbeschichtung
ist jedoch an den Kontaktpunkten zwischen den Kugeln und der Laufbahn ein
großes
Maß an
Reibung und Wärmeerzeugung vorhanden.
Die Betriebsbedingungen in der Röntgenröhrenumgebung,
wo die Temperatu ren in der Vakuumumgebung von 300 bis 500 Grad Celsius
reichen und die Spannungswerte an den Lagerkugeln 2,5 GPa überschreiten
können,
erzeugt noch zusätzliche
Herausforderungen an die Lager.
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Der
Ausfall eines Lagers in einer Röntgenröhre erfolgt
typischerweise durch Abnutzung der Silberbeschichtung und Verlust
des Silbers in einem Kontaktbereich zwischen benachbarten Lagerkugeln und
zwischen den Lagerkugeln und der Laufbahn. Der Verschleiß der Silberbeschichtung
kann auftreten, weil die Kugeln in dem Lager um den Laufring herum
nicht gleichmäßig beabstandet
angeordnet sind und sich die Abstände von Kugel zu Kugel ändern, wenn
das Lager läuft.
Wenn eine Lagerkugel von einer Last tragenden in eine lastfreie
Zone in dem Lager übertritt,
bewegt sich die Kugel schnell aus der Last tragenden Zone heraus
und stößt infolge
des Wegfalls der Last gegen eine benachbarte Kugel. Dieser Wegfall
der Last führt
zu einer starken Stoßbelastung
zwischen benachbarten Lagerkugeln. Die Stoßbelastung beschädigt eine
Kugeloberfläche, indem
sie Vertiefungen auf der Oberfläche
an der Kontaktstelle von Kugel zu Kugel erzeugt. Weiterhin erfolgt
die Drehung aneinander angrenzender Lagerkugeln entgegengesetzt
zueinander. Die Rotationsgeschwindigkeit der Kugeloberflächen in
entgegen gesetzten Richtungen verursacht ein hohes Reibmoment und
eine starke Wärmeansammlung,
wenn die benachbarten Kugeln einander berühren. Die hohen Reibgeschwindigkeiten
und die durch die Berührung von
Kugel zu Kugel hervorgerufene innere Wärme verursachen einen sehr
starken Verschleiß und Schaden
an der Schmierung, so dass sich die Lebensdauer des Lagers verringert.
Folglich tragen Vertiefungen durch Stöße, Verschleiß durch
Reibung und Wärmeentstehung
alle dazu bei, die Leistungsfähigkeit
und Dauerhaftigkeit des Lagers zu beeinträchtigen.
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Daher
wäre es
wünschenswert,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung der Probleme
durch Reibverschleiß und
dynamische Stoßbeanspruchung
zwischen benachbarten Kugeln in einer Lageranordnung zu haben. Es
wäre auch
wünschenswert,
das interne Drehmoment des Lagers zu verringern und die Wärmeerzeugung
zu minimieren, um die Leistungsfähigkeit
des Lagers zu steigern und seine Lebensdauer zu verlängern.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Anordnung von Lagerkugeln in einer Röntgenröhrenlageranordnung, die die
zuvor genannten Nachteile überwinden.
In der Lageranordnung ist ein Lagerkäfig enthalten, der die Lagerkugeln
innerhalb des Lagerkäfigs
auf Abstand hält,
um eine Berührung
zwischen benachbarten Kugeln zu verhindern, wodurch die reibende
Abnutzung und die dynamische Stoßbeanspruchung zwischen benachbarten
Kugeln verhindert und das interne Drehmoment des Lagers und die
Wärmeerzeugung verringert
werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine in einer Röntgenröhre montierte Lageranordnung
einen Lagerlaufring, eine Anzahl von Lagerkugeln, die an den Laufring
angrenzend angeordnet sind, und einen Lagerkäfig, der um die Anzahl von
Lagerkugeln herum angeordnet ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Bildgebungssystem einen
Röntgendetektor,
eine Röntgenröhre mit
einer drehbaren Welle und eine Lageranordnung, die die drehbare
Welle lagert. Die Lageranordnung enthält weiterhin einen Lagerlaufring,
eine Anzahl von Wälzkörpern, die
an den Laufring angrenzend angeordnet sind, und einen Lagerkäfig, der
zum Aufnehmen der Anzahl von Wälzkörpern eingerichtet
ist.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Röntgenröhrenlager eine Laufbahn mit
einem inneren Laufring und einem äußeren Laufring, einen Käfig, der
an jedem von einem ersten Ende und einem zweiten Ende der Laufbahn
zwischen dem inneren Laufring und dem äußeren Laufring angeordnet ist,
und eine Anzahl von Lagerkugeln innerhalb des Käfigs.
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Verschiedene
weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
durch die folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen verdeutlicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Zeichnungen stellen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar, das gegenwärtig zum
Ausführen
der Erfindung in Betracht gezogen wird.
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1 ist
eine bildhafte Ansicht eines CT-Bildgebungssystems, das von dem
Einbau einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung profitieren kann.
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm des in 1 dargestellten
Systems.
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer Röntgenröhre, die
in dem in 1 dargestellten System verwendbar
ist.
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer Lageranordnung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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5 ist
eine Querschnittsansicht eines Lagerkäfigs gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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6 ist
eine im Querschnitt gezeigte Teilansicht eines Lagerkäfigs mit
einer Kombinationsbeschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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7 ist
eine im Querschnitt gezeigte Teilansicht eines Lagerkäfigs mit
einer Gradientenbeschichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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8 ist
eine im Querschnitt gezeigte Teilansicht eines Grundmaterials mit
einer Kombinationsbeschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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9 ist
eine im Querschnitt gezeigte Teilansicht eines Grundmaterials mit
einer Kombinationsbeschichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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10 ist
eine bildhafte Ansicht eines CT-Systems zur Verwendung in einem
nichtinvasiven Gepäcküberprüfungssystem.
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Detaillierte Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Die
Betriebsumgebung der vorliegenden Erfindung wird bezogen auf die
Verwendung einer Röntgenröhre beschrieben,
wie sie in einem Computertomographie(CT)-System verwendet wird.
Von Fachleuten wird jedoch erkannt, dass die vorliegende Erfindung
gleichermaßen
zur Verwendung in anderen Systemen anwendbar ist, die den Gebrauch
einer Röntgenröhre erfordern.
Solche Verwendungen enthalten Röntgenbildgebungssysteme
(für medizinische
und nichtmedizinische Zwecke), Mammographiebildgebungssysteme und
RAD-Systeme, ohne eine Beschränkung
auf die genannten.
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Darüber hinaus
wird die vorliegende Erfindung bezogen auf die Verwendung in einer
Röntgenröhre beschrieben.
Ein Fachmann wird jedoch weiterhin erkennen, dass die vorliegende
Erfindung gleichermaßen
auf andere Systeme anwendbar ist, die den Betrieb eines Lagers in
einer Umgebung mit Hochvakuum, hoher Temperatur und hohen Kontaktbeanspruchungen
erfordern, wobei ein festes Schmiermittel, wie etwa Silber, auf
die in Rollkontakt stehenden Komponenten aufplattiert ist. Die vorliegende
Erfindung wird unter Bezug auf einen medizinischen CT-Bildgebungsscanner
der „dritten
Generation" beschrieben,
ist aber gleichermaßen
auch auf andere CT-Systeme, wie etwa Gepäckscanner anwendbar.
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Unter
Bezug auf 1 und 2: Ein Computertomographie(CT)-Bildgebungssystem 10 ist
gezeigt, das eine Gantry 12 enthält, die für einen CT-Scanner der „dritten
Generation" kennzeichnend ist.
Die Gantry 12 weist eine Röntgenröhre 14 auf, die ein
Röntgenstrahlenbündel 16 auf
ein Detektorarray 18 auf der gegenüberliegenden Seite der Gantry 12 proji ziert.
Das Detektorarray 18 ist aus einer Anzahl von Detektoren 20 aufgebaut,
die zusammen die projizierten Röntgenstrahlen
wahrnehmen, die einen medizinischen Patienten 22 durchdringen.
Jeder Detektor 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das
die Intensität
eines auftreffenden Röntgenstrahls
und damit den abgeschwächten
Strahl wiedergibt, wie er durch den Patienten 22 hindurch
tritt. Während
einer Aufnahme zum Erfassen von Röntgenprojektionsdaten rotieren
die Gantry 12 und die an ihr angebrachten Komponenten um
ein Drehzentrum 24 herum.
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Die
Drehung der Gantry 12 und der Betrieb der Röntgenröhre 14 werden
von einer Steuerungsvorrichtung 26 des CT-Systems 10 gesteuert.
Die Steuerungsvorrichtung 26 enthält eine Röntgensteuerung 28,
die Energie und Taktsignale an eine Röntgenröhre 14 und eine Gantrymotorsteuerung 30 liefert,
die die Drehgeschwindigkeit und die Stellung der Gantry 12 steuert.
Ein Datenakquisitionssystem (DAS) 32 in der Steuerungsvorrichtung 26 tastet
analoge Daten von den Detektoren 20 ab und wandelt die
Daten zur anschließenden
Verarbeitung in digitale Signale um. Eine Bildwiederherstellungseinrichtung 34 empfängt die
abgetasteten und digitalisierten Röntgendaten von dem DAS 32 und
führt eine
Hochgeschwindigkeitsrekonstruktion durch. Das wiederhergestellte
Bild wird als Eingabedaten an einen Computer 36 angelegt,
der das Bild in einer Massenspeichervorrichtung 38 speichert.
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Der
Computer 36 empfängt über eine
Konsole 40, die eine Tastatur aufweist, auch Befehle und Aufnahmeparameter
von einem Bediener. Eine zugehörige
Kathodenstrahlröhrenanzeige 42 ermöglicht dem
Bediener, das wiederhergestellte Bild und andere Daten von dem Computer 36 zu
betrachten.
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Die
vom Bediener gegebenen Befehle und Parameter werden von dem Computer 36 verwendet, um
Steuersignale und Informationen an das DAS 32, die Röntgensteuerung 28 und
die Gantrymotorsteuerung 30 zu liefern. Zusätzlich betreibt
der Computer 36 eine Tischmotorsteuerung 44, die
einen motorisierten Tisch 46 zum Positionieren des Patienten 22 und
der Gantry 12 steuert. Im Einzelnen bewegt der Tisch 46 Abschnitte
des Patienten 22 durch eine Gantryöffnung 48 hindurch.
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3 stellt
eine Querschnittsansicht einer Röntgenröhre 14 dar,
die aus einem Einbau einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Nutzen ziehen kann. Die Röntgenröhre 14 enthält ein Gehäuse 50 mit
einem darin ausgebildeten Strahlungsemissionsdurchgang 52.
Das Gehäuse 50 schließt ein Vakuum 54 ein
und nimmt eine Anode 56, eine Lageranordnung 58,
eine Kathode 60 und einen Rotor 62 auf. Röntgenstrahlen 16 werden
erzeugt, wenn Hochgeschwindigkeitselektronen plötzlich abgebremst werden, wenn
sie von der Kathode 60 auf die Anode 56 über eine
Potentialdifferenz zwischen diesen von z. B. 60 kV oder mehr im
Falle von CT-Anwendungen gerichtet werden. Die Röntgenstrahlen 16 werden
durch den Strahlungsemissionsdurchgang 52 auf ein Detektorarray,
wie z. B. das Detektorarray 18 aus 2 ausgesandt.
Um eine Überhitzung
der Anode 56 durch die Elektronen zu verhindern, wird die
Anode 56 mit einer hohen Drehzahl von z. B. 90–250 Hz
um eine Zentrallinie 64 gedreht.
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Die
Lageranordnung 58 enthält
eine zentrale Welle 66, die an einem ersten Ende 68 mit
dem Rotor 62 und an einem zweiten Ende 70 an der
Anode 56 befestigt ist. Ein vorderer innerer Laufring 72 und
ein hinterer innerer Laufring 74 der Zentralwelle 66 erfassen
rollend eine Anzahl von vorderen Kugeln 76 bzw. eine Anzahl
von hinteren Kugeln 78 (d. h. Lagerkugeln), die als Wälzkörper wirken.
Die Lageranordnung 58 enthält auch einen vorderen äußeren Laufring 80 und
einen hinteren äußeren Laufring 82,
die zum rollenden Erfassen und Positionieren der Anzahl von vorderen
Kugeln 76 bzw. der Anzahl von hinteren Kugeln 78 eingerichtet
sind. Die Lageranordnung 58 enthält einen Schaft 84,
der an der Röntgenröhre 14 gehaltert
ist. Ein Stator 86 treibt den Rotor 62 an, der die
Anode 56 zur Drehung antreibt.
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Zusätzlich zur
Drehung der Anode 56 innerhalb der Röntgenröhre 14 wird die Röntgenröhre 14 als
Ganzes zur Drehung um die Gantry 12 mit einer Drehzahl
von typischerweise 1 Hz oder schneller veranlasst. Die rotatorischen
Effekte sowohl von der Röntgenröhre 14 um
die Gantry 12 als auch von der Anode 56 innerhalb
der Röntgenröhre 14 bewirken, dass
die Gewichtskraft der Anode 56 erheblich verstärkt wird,
was im Betrieb zu Kontaktbeanspruchungen in den Laufringen 72, 74, 80, 82 (d.
h. einer Laufbahn) und den Lagerkugeln 76, 78 von
bis zu 2,5 GPa führt.
Weiterhin bewirken die durch den Betrieb der Kathode 60 erzeugte
Wärme,
die sich ergebende Abbremsung der Elektronen in der Anode 56 und
die durch reibungsbedingte Selbsterhitzung der Laufringe 72, 74, 80 und 82 und
der Lagerkugeln 76, 78 erzeugte Wärme einen
Betrieb typischerweise oberhalb von 400 Grad Celsius.
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Um
die Wärme
und die durch Reibung zwischen benachbarten Lagerkugeln 76, 78 erzeugte Abnutzung
zu verringern, ist in der Lageranordnung 58 ein Lagerkäfig oder
-haltering enthalten. Wie in 4 gezeigt
enthält
die Lageranordnung 58 Lagerkäfige 88 zum Aufnehmen
der Anzahl von vorderen La gerkugeln 76 und hinteren Lagerkugeln 78,
wobei auch in Betracht gezogen wird, dass nur ein einziger Lagerkäfig 88 in
der Lageranordnung 58 enthalten ist, um entweder die vorderen
Lagerkugeln 76 oder die hinteren Lagerkugeln 78 aufzunehmen.
Die Lagerkäfige 88 sind
sowohl an dem ersten Ende 68 als auch an dem zweiten Ende 70 der
Lageranordnung 58 eingefügt und zwischen dem vorderen
inneren und äußeren Laufring 72, 80 bzw.
zwischen dem hinteren inneren und äußeren Laufring 74, 82 eingefügt. Die
Lagerkäfige 88 sind
um die Lagerkugeln 76, 78 herum angeordnet und
dazu eingerichtet, eine Berührung
zwischen benachbarten Kugeln zu verhindern. Wie in der detaillierten
Ansicht des Lagerkäfigs 88 in 5 gezeigt
ist, ist der Lagerkäfig 88 dazu
eingerichtet, die einzelnen Lagerkugeln 90 innerhalb von
in dem Lagerkäfig 88 ausgebildeten Öffnungen mit
gleichmäßigem Abstand
anzuordnen. Auf diese Weise verhindert der Lagerkäfig Schäden durch Stoßbelastung,
Abnutzung durch Rutschen, und Wärmeansammlungen,
die auftreten würden,
wenn es den Lagerkugeln 90 ermöglicht würde, miteinander in Kontakt
zu geraten. Die von dem Lagerkäfig 88 bewirkte
Ausrichtung der Lagerkugeln 90 verteilt die Lasten in Verbindung
mit der Lagerdrehung auch gleichmäßig zwischen den Kugeln 90.
Wieder unter Bezug auf 4: Der Lagerkäfig 88 führt die
Kugeln in den Laufringen 72, 74, 80, 82 auch
während
der Drehung der Lageranordnung 58 genau.
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Die
Lagerkäfige 88 sind
aus einem Material aufgebaut, das eine hohe spezifische Festigkeit
aufweist und zum Betrieb in einer extremen Hochtemperaturumgebung
geeignet ist, wie etwa der während des
Betriebs einer Röntgenröhre vorhandenen
Umgebung. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Lagerkäfige 88 aus
einem Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffmaterial aufgebaut, das dem
Betrieb in einer Rönt genröhrenumgebung
widerstehen kann. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Lagerkäfige 88 auch
aus anderen geeigneten Materialien, wie etwa AISI 4340-Stahl hergestellt
sein können,
die die gewünschte
Festigkeit und die gewünschten Temperatureigenschaften
aufweisen. Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffe
zeigen insbesondere eine Anzahl von physikalischen Eigenschaften,
die sie zu einem geeigneten Material für die Herstellung von Lagerkäfigen 88 zur
Verwendung in einer Röntgenröhre machen.
Als erstes weisen Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffe eine hohe spezifische
Festigkeit bei einer hohen Temperatur (bis zu 1000 Grad Celsius
im Vakuum) auf, was für
die Hochtemperaturumgebung der Röntgenröhrenlageranordnung
geeignet ist. Auch weisen Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffe einen
niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, was wünschenswert
ist, um die Beanspruchung im Zusammenhang mit großen Temperaturdifferenzen
zu verringern, die im Röntgenröhrenbetrieb
auftreten. Weiterhin haben Carbon-Carbon-Verbundmaterialien eine
geringe Dichte, was zum Verringern der Zentrifugalkraft dient, die
von den Lagerkäfigen 88 hervorgerufen
wird, und verringern den Verschleiß zwischen dem Lagerkäfig 88 und
den Laufbahnen 72, 74, 80, 82,
die in 4 gezeigt sind, verglichen mit dichteren Materialien.
Schließlich
weisen Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffe
ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften
auf, die zum Verringern von Wärmeansammlungen
in den Lagerkäfigen 88 beitragen.
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Wegen
der hohen Temperaturen und der hohen Drehzahlen, die bei dem Betrieb
der Röntgenröhre auf
die Lageranordnung einwirken, kann gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung eine Beschichtung auf den Lagerkäfig 88 aus
einem Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff aufgetragen sein, um diesem
einen effizienteren Betrieb zu ermöglichen, in dem die Abnutzung
der Teile verringert und die Schmiereigenschaften verstärkt werden.
Das heißt,
eine Trocken- oder
Selbstschmierbeschichtung kann zu Zwecken der Schmierung auf den
Lagerkäfig 88 aufgetragen
sein. Unter Bezug auf 6: eine im Querschnitt gezeigte
Teilansicht eines Lagerkäfigs 88 ist
gezeigt. Wie darin gezeigt ist, ist eine Mehrfach- oder Kombinationsbeschichtung 96 auf
das Grundmaterial (d. h. den Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff) aufgetragen,
das den Lagerkäfig 88 bildet.
Die Kombinationsbeschichtung 96 enthält eine Bindeschicht 98 (d.
h. eine Zwischenschicht) und eine Schmierschicht 100. Die
Bindeschicht 98 ist aus einem Bindematerial (d. h. einem Haftmittel),
wie etwa Platin, Wolfram, Molybdän, Chrom,
Nickel, Silizium, Kupfer oder Titan aufgebaut, wobei es auch in
Betracht gezogen wird, dass andere geeignete Materialien ebenso
verwendet werden könnten.
Die Bindeschicht 98 fördert
die Haftung zwischen der Schmierschicht 100 und dem Lagerkäfig 88 durch
eine begrenzte gegenseitige Löslichkeit
mit dem Material der Schmierschicht und mit dem Grundmaterial des
Lagerkäfigs 88.
Ti- und W-Metalle bieten z. B. sowohl eine mechanische Haftung,
die durch einen Abscheidevorgang hervorgerufen wird, als auch eine
chemische Haftung zwischen dem Lagerkäfig 88 und der Schmierschicht 100.
In einer Ausführungsform
ist die Bindeschicht 98 mit einer Dicke von 10 bis 100
Nanometer auf den Lagerkäfig 88 aufgebracht,
um den Lagerkäfig 88 zu
beschichten. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Bindeschicht
eine größere Dicke,
wie etwa 5 bis 20 Mikrometer aufweisen kann oder dass alternativ
eine Zwischenschicht von 5 bis 20 Mikrometer auf die dünne Grundbindeschicht
von 10 bis 100 Nanometer aufgebracht sein kann. Wenn der Lagerkäfig 88 aus
einem Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff
aufgebaut ist, kann eine Dicke in dem Bereich von 5 bis 20 Mikrometer für entweder
die Bindeschicht 98 oder eine Zwischenschicht dazu dienen,
wenigstens teilweise Unregelmäßigkeiten
auszufüllen,
die in der Oberfläche des
Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffs vorhanden sein können und eine glatte Oberfläche zu bieten,
auf die die Schmierschicht 100 aufgebracht werden kann.
Dadurch wird eine glattere Schmierschicht 100 gebildet,
was die Abnutzung in dem Lagerkäfig
verringern, die Lebensdauer der Lageranordnung verlängern und
die anschließenden
Bearbeitungskosten verringern kann. Während oben bestimmte Dickenbereiche
für die
Bindeschicht 98 (und eventuell eine Zwischenschicht) angegeben
worden sind, kann auch eine Dicke auf den Lagerkäfig 88 aufgebracht werden,
die größer oder
kleiner als diese Bereiche ist.
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Die
Schmierschicht 100 ist oben auf die Bindeschicht 98 aufgebracht,
um die Reibung zwischen dem Lagerkäfig 88 und den in 5 gezeigten
Lagerkugeln 90 zu verringern. Die Schmierschicht 100 kann
aus einem beliebigen bekannten Trockenschmiermittel aufgebaut sein,
das zur Verwendung mit Lagern in einer Röntgenröhrenumgebung geeignet ist.
Typischerweise wird Silber als Schmiermittel verwendet, wenn die
Betriebstemperaturen in der Röntgenröhrenumgebung 400 Grad
Celsius überschreiten,
und das Silber dient zur Minimierung der Bildung von Haftverbindungen
zwischen dem Lagerkäfig 88,
den Lagerkugeln 76, 78 und den Laufringen 72, 74, 80 und 82 (die
in 4 gezeigt sind). Als eine relativ weiche Beschichtung
ist Silber in der Lage, vom Lagerkäfig 88 auf entweder
die Lagerkugeln oder die Laufringe überzugehen und die Reibung zwischen
diesen gering zu halten. Während
Silber als eine bevorzugte Schmierschicht 100 beschrieben worden
ist, wird auch in Betracht gezogen, dass andere metallische Schmiermittel,
wie etwa Gold, Blei oder Bleizinn, ebenso verwendet werden können. Weiterhin
können andere
feste Schmiermittel hinzugefügt
werden, um ein "Kombinationsmaterial" zu bilden, das z.
B. aus Silber und einem anderen Schmiermittel, wie etwa Wolframdisulfid
(WS2), Molybdändisulfid (MoS2),
Kalziumfluorid (CaF2), CAF2BaF2-Eutektika
und dergleichen zusammengesetzt ist. Es können auch andere hochentwickelte selbstschmierende
Hochtemperaturbeschichtungen für
die Lager verwendet werden, wie etwa eine nanolegierte Kohlenstoffbeschichtung.
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Während die
Schmierschicht 100 in 6 oben auf
die Bindeschicht 98 aufgetragen gezeigt ist, wird auch
in Betracht gezogen, dass die Schmierschicht 100 ohne irgendeine
dazwischen liegende Bindeschicht 98 direkt auf den Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff
des Lagerkäfigs 88 aufgebracht
sein könnte.
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Es
wird auch in Betracht gezogen, dass statt der Bindeschicht 98 und
der Schmierschicht 100, die zwei getrennte Schichten sind,
eine Beschichtung vom Gradiententyp auf den Lagerkäfig 88 aufgebracht
sein kann. Nun unter Bezug auf 7: Eine Gradientenbeschichtung 102 ist
auf den Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff
des Lagerkäfigs 88 aufgetragen
gezeigt, die aus einer Bindeschicht 98, einer Übergangsschicht 104 und
einer Schmierschicht 100 besteht. Die Gradientenbeschichtung 102 weist
eine allmähliche
oder schrittweise Änderung
des Materials, wie etwa von Nickel zu Silber auf, die chemische Bindungen
zwischen benachbarten Schichten herstellt und den Unterschied des
Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen benachbarten Schichten minimiert, wodurch die Haftung insgesamt
verstärkt
wird. Die Bindeschicht 98 kann z. B. zu 100% aus Nickel gebildet
sein, um an dem Lagerkäfig 88 zu
haften. Die Übergangsschicht 104 ist
auf der Bindeschicht 98 angeordnet und enthält einen prozentualen
Anteil von Bindematerial (z. B. 50% Nickel) und einen prozentualen
Anteil von einem Schmiermaterial, das zur Bildung der Schmierschicht 100 verwendet
wird (z. B. 50% Silber). Die Übergangsschicht 104 ist
in 7 als eine einzige Schicht gezeigt, wobei jedoch
in Betracht gezogen wird, das die Übergangsschicht 104 auch
aus mehreren Schichten bestehen könnte, wobei die einzelnen Schichten
unterschiedliche prozentuale Anteile von Bindematerial und Schmiermaterial enthalten,
um einen langsamen Übergang
von der Bindeschicht 98 zu der Schmierschicht 100 herzustellen.
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Die
Kombinationsbeschichtung 96 aus 6 und die
Gradientenbeschichtung 102 aus 7, die oben
beschrieben sind, können
durch eine Vielzahl von Verfahren auf den Lagerkäfig 88 aufgebracht werden.
Das heißt,
die Bindeschicht 98, die Schmierschicht 100 und
die Übergangsschicht 104 können durch
eine Anzahl geeigneter Techniken aufgebracht werden. In einem Ausführungsbeispiel
wird eine chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition
bzw. CVD), die die thermische CVD, die metallorganische CVD und
die plasmaunterstützte CVD
enthält,
zum Abscheiden einer Schicht 98, 100, 104 auf
dem Carbon-Carbon-Verbundmaterial des Lagerkäfigs 88 verwendet.
Die CVD verwendet ein Gasphasen-Ausgangsmaterial (z. B. Silberhalogenid oder
-hydrid), das erhitzt und in einem erhitzten Zustand über den
Lagerkäfig 88 geleitet
wird, um Bindematerial und/oder Schmiermaterial auf dem Lagerkäfig abzuscheiden.
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Bei
einem anderen Auftrageverfahren wird eine physikalische Gasphasenabscheidungs(Physical
Vapor Deposition bzw. PVD)-Technik angewandt, um eine Beschichtung 98, 100, 104 auf
das Carbon-Carbon-Verbundmaterial des Lagerkäfigs 88 aufzubringen.
Bei der PVD wird das Binde- und/oder das Schmiermaterial, das auf
den Lagerkäfig 88 aufzutragen
ist, in einer energiereichen, entropischen Umgebung angeordnet,
so dass Teilchen des Materials aus seiner Oberfläche austreten. Bei einem Ionenplattierungsvorgang
wird der Lagerkäfig 88 zum Beispiel
in einem Inertgas (z. B. Argon) zusammen mit dem Binde-/Schmiermaterial
angeordnet. Man lässt
eine Heiztemperatur und einen Niederspannungslichtbogen einwirken,
um die metallische Komponente des Beschichtungsmaterials (z. B.
Silber) zu verdampfen, und die ionisierten Teilchen werden danach
auf eine hohe Energie beschleunigt, um den Lagerkäfig 88 durch
einen Beschuss mit diesen beschleunigten Teilchen zu beschichten.
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Bei
einer anderen Technik kann die Galvanisierung zum Aufbringen von
einer Schicht, Schichten oder Gradienten von Schichten auf das Carbon-Carbon-Material
des Lagerkäfigs 88 verwendet
werden. Der Lagerkäfig 88 und
das Binde-/Schmiermaterial werden in eine Lösung eingetaucht, die ein oder mehrere
Metallsalze sowie weitere Ionen enthält, die einen elektrischen
Stromschluss zulassen. Ein Gleichrichter führt dem Lagerkäfig einen
Gleichstrom zu, der die Metallionen in der Lösung ihre Ladung verlieren
und den Lagerkäfig 88 metallisieren
lässt. Wenn
der elektrische Strom fließt,
löst sich
das Binde-/Schmiermaterial langsam auf und füllt die Ionen in der Lösung wieder
auf.
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In
noch einer weiteren PVD-Auftragetechnik wird eine Zerstäubungs-
bzw. Sputtering-Technik angewandt, um eine Schicht 98, 100, 104 auf
das Carbon-Carbon-Verbundmaterial des Lagerkäfigs 88 aufzubringen.
Bei einer Zerstäubungsbeschichtungstechnik
wird ein dünner
Film des Binde-/Schmiermaterials durch den Ausstoß von Atomen
in eine Gasphase aus einem als Target bezeichneten Block eines Binde-/Schmier materials
aufgetragen. Die Binde-/Schmiermaterialatome werden infolge des
Beschusses des Targetmaterials durch energiereiche Ionen (z. B.
Argonplasma) in die Gasphase ausgestoßen und lagern sich auf dem
Lagerkäfig 88 ab, wenn
er in einer Vakuumkammer angeordnet ist.
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Es
wird auch in Betracht gezogen, dass verschiedene metallische Pasten
auf organischer oder anorganischer Basis verwendet werden könnten, um eine
Schicht, Schichten oder Gradienten von Schichten auf das Carbon-Carbon-Material
des Lagerkäfigs 88 aufzutragen.
Eine Platinpaste mit Ethylzellulose und Alpha-Termineol könnte z.
B. auf den Lagerkäfig 88 aufgebracht
werden. Die Paste könnte
auch Oxide, wie etwa Nickeloxid oder Titanoxid enthalten, die anschließend zu
dem Basismetall reduziert werden könnten, um die Bindeschicht 98 und/oder
die Schmierschicht 100 zu bilden. Ein thermisches Spritz-
oder ein Kaltgasspritzverfahren könnte auch angewandt werden,
um eine Schicht auf dem Carbon-Carbon-Lagerkäfig 88 anzuordnen.
Dieses Material kann ein Metall oder ein Material auf Oxidbasis, wie
z. B. NiO oder TiO sein, das anschließend reduziert würde.
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Zusätzlich zu
den oben genannten Techniken können
auch andere geeignete Beschichtungstechniken in die Praxis umgesetzt
werden, um eine Bindeschicht 98 und eine Schmierschicht 100 auf den
Lagerkäfig 88 aus
Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff aufzubringen.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu den auf den Lagerkäfig 88 aufgebrachten
Kombinationsbeschichtungen 96, 102, wie sie in
den 6 und 7 gezeigt sind, wird auch in
Betracht gezogen, dass ein Schmiermittel auch auf die Laufringe 72, 74, 80, 82 und
auf die Lagerkugeln 76, 78, die in der Lageranordnung 58 aus 4 gezeigt
sind, aufgebracht werden könnte,
um die Reibung zwischen diesen zu verringern. Die Laufringe 72, 74, 80 und 82 und
die Lagerkugeln 76, 78 können aus Werkzeugstählen bestehen,
die typischerweise für
Lagermaterialien verwendet werden, wie etwa Rex® 20-,
T5-, T15-Werkzeugstähle
und dergleichen. Rex ist eine eingetragene Marke der Crucible Materials
Corporation, Solvay, New York. Die Lagerkugeln 76, 78 können auch
aus einem Keramikmaterial gebildet sein. Unter Bezug auf 8:
Eine im Querschnitt dargestellte Teilansicht eines Grundmaterials 120 ist
gezeigt, aus dem der Laufring und die Lagerkugeln aufgebaut sind. Eine
Haftschicht 122 ist auf das Grundmaterial 120 aufgebracht,
und eine Schmierschicht 124 ist auf die Haftschicht 122 aufgebracht.
Die Schmierschicht 122 kann aus z. B. Silber aufgebaut
sein oder kann weiterhin ein anderes Schmiermaterial als Silber
enthalten, wie z. B. WS2, MoS2,
CaF2, CaF2BaF2-Eutektika, nanolegierten Kohlenstoff und
dergleichen. Auf diese Weise verbessert die Schmierschicht 124 zusammen mit
der Haftschicht 122 die Schmiereigenschaften und die Lebensdauer
des Grundmaterials 120, das den Laufring und/oder die Lagerkugeln
bildet.
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Wie
in 9 gezeigt kann zwischen der Haftschicht 122 und
der Schmierschicht 124 auch eine Hartschicht 126 eingeschlossen
sein. Die Hartschicht 126 ist aus einem Material mit einer
Härte gebildet,
die größer als
diejenige eines Grundmaterials 120 des Lagerlaufrings und
der Lagerkugeln ist. Das Hartmaterial 126 kann aus Hartpartikeln
gebildet sein, die TiC, TiN, TiAlN, Diamant, Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid
enthalten. Alternativ kann das Hartmaterial 126 aus einer
harten Beschichtung gebildet sein, die ein monolitisches Nitrid,
ein Nano-Mehrschicht-Nitrid, eine Nickel-Diamant-Beschichtung, eine
Keramik, oder eine Koh lenstoff- und Oxidbeschichtung mit Schmierphasen
enthalten. Eine Nanoverbund-TiC-C-Beschichtung besteht z. B. aus
nanokristalinen TiC-Körnern,
die in eine amorphe Kohlenstoffmatrix (nc-TiC/a-C) eingebettet sind,
und bietet eine geringe Reibung, hohe Belastbarkeit und dadurch
ausgezeichnete Schmiereigenschaften. Eine verbesserte Widerstandsfähigkeit
des Grundmaterials 120 gegen Verschleiß wird durch Aufbringen einer Schicht
aus einem Hartmaterial 126 auf das Grundmaterial 120 und
durch Aufbringen des Schmiermittels 124 darauf erreicht.
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10 ist
eine bildhafte Ansicht eines CT-Systems zur Verwendung in einem
nichtinvasiven Gepäcküberprüfungssystem,
das die Röntgenröhre 14 und
die Lageranordnung 58, die in 3 gezeigt sind,
enthalten kann. Das Paket- bzw. Gepäcküberprüfungssystem 130 enthält eine
drehbare Gantry 132 mit einer Öffnung 134, durch
die sich Pakete oder Gepäckstücke hindurchbewegen
können.
Die drehbare Gantry 132 nimmt eine Quelle 136 für hochfrequente
elektromagnetische Energie sowie eine Detektoranordnung 138 mit
Szintillatorarrays auf, die aus Szintillatorzellen bestehen. Ein
Förderbandsystem 140 ist
auch vorhanden und enthält
ein Förderband 142,
das von einer Anordnung 144 getragen wird, um zu untersuchende
Pakete oder Gepäckstücke 146 automatisch
und kontinuierlich durch die Öffnung 134 hindurch
zu transportieren. Die Objekte 146 werden von dem Förderband 142 durch
die Öffnung 134 hindurch
geführt,
danach werden Bilddaten erfasst, und das Förderband 142 entfernt
die Pakete 146 auf eine kontrollierte und kontinuierliche
Weise aus der Öffnung 134.
Im Ergebnis kann Postüberprüfungs-,
Gepäckdienst-
und anderes Sicherheitspersonal auf nichtinvasive Art den Inhalt
von Paketen 146 auf Sprengstoffe, Messer, Schusswaffen, Schmuggelware
etc. überprüfen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
eine Lageranordnung, die in einer Röntgenröhre montiert ist, einen Lagerlaufring,
eine Anzahl von Lagerkugeln, die an den Laufring angrenzend angeordnet
sind, und einen Lagerkäfig,
der um die Anzahl von Lagerkugeln herum angeordnet ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
ein Bildgebungssystem einen Röntgendetektor,
eine Röntgenröhre mit einer
drehbaren Welle und eine die drehbare Welle lagernde Lageranordnung.
Die Lageranordnung enthält
weiterhin einen Lagerlaufring, eine Anzahl von Wälzkörpern, die an den Lagerlaufring
angrenzend angeordnet sind, und einen Lagerkäfig, der zur Aufnahme der mehreren
Wälzkörper eingerichtet
ist.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält
ein Röntgenröhrenlager
eine Laufbahn mit einem inneren Laufring und einem äußeren Laufring,
einen zwischen dem inneren Laufring und dem äußeren Laufring angeordneten
Käfig,
der jeweils an einem ersten Ende und an einem zweiten Ende der Laufbahn
angeordnet ist, und eine Anzahl von Lagerkugeln innerhalb des Käfigs.
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Eine
Lageranordnung 58, die in einer Röntgenröhre 14 montiert ist,
enthält
einen Lagerlaufring 72, 74, 80, 82 und
eine Anzahl von Lagerkugeln 76, 78, die an den
Lagerlaufring 72, 74, 80, 82 angrenzend
angeordnet sind. Die mehreren Lagerkugeln 76, 78 sind
innerhalb eines Lagerkäfigs 88 angeordnet.
Der Lagerkäfig 88 ist
dazu eingerichtet, die Lagerkugeln 76, 78 innerhalb
des Lagerkäfigs 88 in
einem gleichmäßigen Abstand
zueinander zu halten und eine Berührung zwischen benachbarten
Lagerkugeln 76, 78 zu verhindern, wodurch die
Probleme mit Verschleiß durch
Rutschen und dynamischen Stoßbeanspruchungen
zwischen benachbarten Lagerkugeln 76, 78 in der
Lageranordnung 58 beseitigt werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist mit den Begriffen des bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben worden, wobei erkannt wird, dass Äquivalente, Alternativen und
Abwandlungen zusätzlich
zu den ausdrücklich
genannten möglich
sind und innerhalb des Bereiches der beigefügten Ansprüche liegen.