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Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahler.
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Ein derartiger Röntgenstrahler umfasst ein Strahlergehäuse, in dem eine Röntgenröhre angeordnet ist. Die Röntgenröhre umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem wenigstens eine Kathode und wenigstens eine Anode angeordnet sind. Zur Kühlung und Isolation der Röntgenröhre enthält das Strahlergehäuse ein flüssiges Kühl-Isoliermedium.
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Aus der
US 7,236,571 B1 ist ein System zur Kühlung integrierter Röntgenröhren bekannt, das einen Rahmenaufbau umfasst, der zumindest einen Teil einer Elektronenstrahlquelle und ein Elektronenstrahltarget umgibt. Der Rahmenaufbau weist ein integriertes Kühlsystem auf. Das Kühlsystem enthält eine Luft/Lamellenschicht und ein unterkühltes Arbeitsfluid, das sich im thermischen Kontakt mit der Luft/Lamellenschicht befindet. Als Reaktion auf die Wärme, die durch wenigstens die Elektronenstrahlquelle und das Elektronenstrahltarget in den Rahmenaufbau eingebracht wird, durchläuft das unterkühlte Arbeitsfluid einen Phasenwechsel, wobei der Phasenwechsel die Wärmeübertragung in die zumindest eine Luft/Lamellenschicht fördert.
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In der
US 5,535,255 ist eine Röntgenröhre beschrieben, die ein Kühlsystem für eine Anode aufweist, wobei das Kühlsystem eine Kühlflüssigkeit umfasst, die in das Innere der Anode geführt wird und dadurch die in der Anode entstehende Wärme zumindest teilweise abführt.
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Die
US 6,366,642 B1 beschreibt eine Röntgeneinrichtung, die eine Röntgenröhre mit einer Anode und einer Kathode sowie eine externe Kühleinheit mit einem Wärmetauscher für eine Kühlflüssigkeit umfasst. Die Kühlflüssigkeit dient zur Kühlung der Anode.
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Durch die
US 7,543,987 B2 ist ein Röntgengerät mit einer modularen Kühleinheit bekannt. Die modulare Kühleinheit enthält einen Wärmetauscher, der wenigstens ein Gebläse, eine Pumpe und einen Radiator umfasst.
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Die
US 3,428,928 beschreibt einen Transformator, zwischen dessen stromführenden Wicklungen Platten aus Bornitrid eingefügt sind. Dadurch soll der Wärmetransport in Längsrichtung verbessert werden.
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In der
DE 10 2011 017 718 A1 und in der
DE 10 2009 054 360 A1 sind Röntgensysteme offenbart, die auf einem C-bogenförmigen Rahmen montiert sind und eine Röntgeneinrichtung und einen Röntgendetektor aufweisen. Die Röntgeneinrichtungen umfassen jeweils eine Röntgenröhre und einen Hochspannungstransformator, die zusammen in einem sogenannten Eintank angeordnet sind. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, ist der Eintank vollständig mit einem flüssigen Kühl-Isoliermedium, z.B. Isolieröl, gefüllt. Das Isolieröl dient primär der Isolierung des Hochspannungstransformators. Weiterhin wird durch das Isolieröl die im Eintank entstehende Wärme abtransportiert. Werden die bekannten Eintank-Röntgensysteme nicht kontinuierlich betrieben, sondern im Pulsmodus, dann kann eine unzureichende Wärmeabfuhr zu einer Überhitzung der Röntgenröhre und/oder des Transformators führen, wodurch es zu einem Ausfall des Röntgensystems kommen kann. Um dies zu vermeiden, muss das Isolieröl im Eintank zirkulieren, wodurch die Wärmeabfuhr verbessert wird. Bei einer nicht mehr ausreichenden Wärmeabfuhr muss das Röntgensystem für eine Abkühlung des Isolieröls für einen entsprechend langen Zeitraum abgeschaltet werden.
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Unter der URL http://www.evolutionmotorsports.co.nz/TSD/ Boron%20Nitride%20Thermal%20Management-Customer%20Copy.pdf ist die Kundeninformation "BORON NITRIDE FOR THERMAL MANAGEMENT AUTOMOTIVE USE" abrufbar. In diesem Dokument ist die Beschichtung von Oberflächen bei Materialien in der Automobiltechnik, beispielsweise von Motorkomponenten und von Bremsen, beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Röntgenstrahler mit einer verbesserten Wärmeabfuhr zu schaffen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Röntgenstrahler gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Der Röntgenstrahler nach Anspruch 1 umfasst ein Strahlergehäuse, in dem eine Röntgenröhre angeordnet ist und das ein flüssiges Kühl-Isoliermedium enthält, wobei die Röntgenröhre ein Vakuumgehäuse umfasst, in dem wenigstens eine Kathode und wenigstens eine Anode angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist das Strahlergehäuse an wenigstens einer Innenwand zumindest teilweise eine Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid auf und/oder das Vakuumgehäuse weist an wenigstens einer Außenwand zumindest teilweise eine Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid (hBN) auf.
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Die Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid weist hervorragende mechanische Eigenschaften auf. So ist Bornitrid beispielsweise das nach Diamant härteste Material.
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Weiterhin weist hexagonales Bornitrid (hBN) eine hohe thermische Leitfähigkeit (ca. 60 Wm-1K-1) sowie eine hohe Temperaturbeständigkeit (200ºC bis 1.800ºC; Schmelzpunkt bei knapp 3.000 ºC) auf und ist aufgrund der kovalenten Bindung zwischen Bor und Stickstoff ein hervorragender elektrischer Isolator (spezifischer ohmscher Widerstand bei 20ºC größer als 1012 Ωcm).
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Darüber hinaus ist hBN chemisch innert, reagiert also nicht mit dem flüssigen Kühl-Isoliermedium, und ist außerdem nicht toxisch und damit nicht gesundheitsschädlich.
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Weiterhin besitzt hexagonales Bornitrid (hBN) eine nichtbenetzende Oberfläche, ist korrosionsbeständig und weist eine gute Oxidationsbeständigkeit auf.
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Die hBN-Beschichtung weist gegenüber dem flüssigen Kühl-Isoliermedium (z.B. Isolieröl) sowohl eine höhere elektrische Isolationsfähigkeit als auch eine höhere thermische Leitfähigkeit auf. Damit erhält man durch die erfindungsgemäße Lösung eine verbesserte Wärmeübertragung in das flüssige Kühl-Isoliermedium und damit eine verbesserte Kühlung des Röntgenstrahlers, ohne dass die Isolationswirkung des flüssigen Kühl-Isoliermediums reduziert wird. Durch die zumindest teilweise hBN-Beschichtung wenigstens einer Innenwand des Strahlergehäuses und/oder durch die zumindest teilweise hBN-Beschichtung wenigstens einer Außenwand des Vakuumgehäuses erhält man bei den entsprechenden Oberflächen (Innenwand des Strahlergehäuses bzw. Außenwand des Vakuumgehäuses) eine nicht-mechanische Vergrößerung der betreffenden Oberfläche um mehr als 50%. Dadurch kann entsprechend mehr thermische Energie vom Strahlergehäuse und/oder vom Vakuumgehäuse aufgenommen werden, wodurch sich der Wärmefluss entsprechend verbessert. Konstruktive Änderungen am Röntgenstrahler zur Verbesserung der Kühlung sind nicht erforderlich.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist aufgrund der physikalischen Eigenschaften von hBN besonders gut für einen Röntgenstrahler geeignet, bei dem das Strahlergehäuse als Eintank ausgebildet ist (Anspruch 2). Bei einem derartigen Röntgenstrahler, der auch als Eintank-Röntgenstrahler bezeichnet wird, sind die Röntgenröhre und eine Hochspannungseinheit, die die Röntgenröhre mit der benötigten Spannung versorgt, gemeinsam im Eintank angeordnet. Bei einem derartigen Röntgenstrahler ist das flüssige Kühl-Isoliermedium in der Regel Isolieröl.
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Im Rahmen der Erfindung kann eine teilweise oder eine vollständige Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid vorgesehen sein. Abhängig vom Anwendungsfall kann eine vollständige hBN-Beschichtung an allen Innenwänden des Strahlergehäuses (Anspruch 3) und/oder an allen Außenwänden des Vakuumgehäuses (Anspruch 4) aufgebracht sein.
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Da hexagonales Bornitrid eine geringe Dichte (2,25 gcm–3) besitzt, nur aus Elementen mit einer niedrigen Ordnungszahl (ZB = 5; ZN = 7) besteht und aufgrund seiner Härte nur eine geringe Schichtdicke erfordert, ist die Absorption der Röntgenstrahlung, die durch das Strahlenaustrittsfenster im Strahlergehäuse bzw. der durch das Strahlenaustrittsfenster im Vakuumgehäuse hindurchtritt, entsprechend gering. Damit ist eine Ausgestaltung des Röntgenstrahlers, bei der das Strahlergehäuse im Bereich des Strahlenaustrittsfensters keine Beschichtung aufweist (Anspruch 6) oder eine Ausgestaltung des Röntgenstrahlers, bei der das Vakuumgehäuse im Bereich des Strahlenaustrittsfensters keine Beschichtung aufweist (Anspruch 7) lediglich für Röntgenstrahler mit einer entsprechend niedrigen Strahlungsenergie erforderlich.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers ist am anodenseitigen Ende des Vakuumgehäuses ein Kühlkörper angeordnet, der eine Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid aufweist (Anspruch 7). Diese Maßnahme kann zusätzlich oder alternativ zu einer Beschichtung des Vakuumgehäuses vorgenommen werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Bornitrid-Beschichtung aus einer Trägerflüssigkeit hergestellt, die ein pulverförmiges hexagonales Bornitrid enthält, wobei der Trägerflüssigkeit ein anorganisches Bindemittel und wenigstens ein katalytisch wirkender Zusatzstoff (Additiv) zugesetzt sind (Anspruch 8).
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Die Bornitrid-Beschichtung ist hierbei alternativ in einem Sprühverfahren (Anspruch 9), in einem Lackierverfahren (Anspruch 10), in einem Walzverfahren (Anspruch 11) oder in einem Tauchverfahren (Anspruch 12) aufgebracht.
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Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die einzige Figur zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform einer Röntgenröhre eines erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers.
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In der einzigen Figur ist mit 1 eine rotationssymmetrische Röntgenröhre bezeichnet, die mit ihrem Vakuumgehäuse 2 in einem in der Zeichnung nicht dargestellten Strahlergehäuse angeordnet ist.
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Das Vakuumgehäuse 2 ist in der dargestellten Ausführungsform als Glaskolben ausgebildet.
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In dem Vakuumgehäuse 2 der Röntgenröhre 1 ist eine Anode 3 angeordnet, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Stehanode ausgebildet ist.
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Die Stehanode 3 umfasst einen Anodenkörper 4, der kraftschlüssig mit einem stationären Anodenschaft 5 verbunden ist. Der Anodenschaft 5 ragt einseitig aus dem Vakuumgehäuse 2 heraus.
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Weiterhin ist innerhalb des Vakuumgehäuses 2 eine Kathodenanordnung 6 mit einer Glühkathode 7 angeordnet, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung thermische Elektronen emittiert. Die thermischen Elektronen werden auf eine umlaufende abgeschrägte Targetfläche 8 des Anodenkörpers 4 gelenkt.
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Die durch die auf der Targetfläche 8 auftreffenden Elektronen erzeugte Röntgenstrahlung 9 tritt zunächst aus dem Vakuumgehäuse 2 aus und in ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Strahlergehäuse ein. Anschließend tritt die Röntgenstrahlung 9 über ein im Strahlergehäuse angeordnetes Strahlenaustrittsfenster aus dem Strahlergehäuse aus und steht damit als sogenannte Röntgennutzstrahlung zur Bildgebung zur Verfügung.
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Da das Vakuumgehäuse 2 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Glasröhre ausgeführt ist, benötigt das Vakuumgehäuse 2 kein Strahlenaustrittsfenster.
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An dem anodenseitigen Ende des Vakuumgehäuses 2 ist ein Kühlkörper 10 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kühlkörper 10 auf einem freien Ende des Anodenschafts 5 angeordnet und weist eine Lamellenstruktur 11 auf.
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Erfindungsgemäß weist das Strahlergehäuse (in der Zeichnung nicht dargestellt) an wenigstens einer Innenwand zumindest teilweise eine Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid (hBN) auf.
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Zusätzlich weist das Vakuumgehäuse 2 an wenigstens einer Außenwand zumindest teilweise eine Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid auf. Bei der dargestellten Ausführungsform ist lediglich der zum Vakuumgehäuse 2 gehörende Kühlkörper 9 mit einer hBN-Beschichtung 12 versehen. Das aus Glas gefertigte Vakuumgehäuse 2 ist nicht beschichtet.
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Die hBN-Beschichtung 12 ist beispielsweise in einem Sprühverfahren, in einem Lackierverfahren, in einem Walzverfahren oder in einem Tauchverfahren auf dem Kühlkörper 9 aufgebracht.
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Bei einer Ausgestaltung, bei der das Vakuumgehäuse 2 aus einem metallischen Werkstoff (z.B. Edelstahl) gefertigt ist, kann für die Außenwände das Vakuumgehäuse 2 auch eine vollständige hBN-Beschichtung vorgesehen sein. Auch diese kann z.B. nach einem der vorgenannten Beschichtungsverfahren aufgebracht werden. Gleiches gilt für eine hBN-Beschichtung der Innenwände des Strahlergehäuses.
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Für bestimmte Anwendungsfälle ist das Strahlergehäuse als Eintank ausgebildet. In einem derartigen Röntgenstrahler, der auch als Eintank-Röntgenstrahler bezeichnet wird, sind die Röntgenröhre 1 sowie eine ebenfalls nicht dargestellte Hochspannungseinheit angeordnet.
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Das im Strahlergehäuse zirkulierende flüssige Kühl-Isoliermedium ist beispielsweise Isolieröl. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Beschichtung 12 aus hexagonalem Bornitrid wird die Kühlwirkung des flüssigen Kühl-Isoliermediums verbessert.
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Wie aus der Beschreibung des dargestellten Ausführungsbeispiels ersichtlich ist, wird durch die erfindungsgemäße Lösung (zumindest eine teilweise hBN-Beschichtung wenigstens einer Innenwand des Strahlergehäuses und/oder zumindest eine teilweise hBN-Beschichtung wenigstens einer Außenwand des Vakuumgehäuses) auf einfache Weise eine Röntgenröhre geschaffen, die eine verbesserte Wärmeabfuhr besitzt und dadurch während der gesamten Lebensdauer besser gekühlt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7236571 B1 [0003]
- US 5535255 [0004]
- US 6366642 B1 [0005]
- US 7543987 B2 [0006]
- US 3428928 [0007]
- DE 102011017718 A1 [0008]
- DE 102009054360 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.evolutionmotorsports.co.nz/TSD/ Boron%20Nitride%20Thermal%20Management-Customer%20Copy.pdf [0009]
