DE19929655A1 - Röntgenstrahler - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahler mit einem ein fluidisches Kühlmittel enthaltenden Gehäuse, in dem eine Drehkolbenröhre drehbar gelagert ist, die ein evakuiertes, eine Kathode und eine Anode enthaltendes Vakuumgehäuse aufweist, wobei die Anode eine Wandung des Vakuumgehäuses bildet und an ihrer Außenseite (22) von dem Kühlmittel beaufschlagt ist. Die Anode (10) weist und an ihrer Außenseite (22) eine die Oberfläche der Außenseite (22) vergrößernde Profilierung, vorzugsweise in Form wenigstens einer von innen nach außen spiralig verlaufenden Nut (29), auf.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Röntgenstrahler mit ei
nem ein fluidisches Kühlmittel enthaltenden Gehäuse, in dem
eine Drehkolbenröhre drehbar gelagert ist, die ein evakuier
tes, eine Kathode und eine Anode enthaltendes Vakuumgehäuse
aufweist, wobei die Anode eine Wandung des Vakuumgehäuses
bildet und an ihrer Außenseite von dem Kühlmittel beauf
schlagt ist.
Ein derartiger Röntgenstrahler, dessen Anode durch das Kühl
mittel direkt gekühlt ist, ist beispielsweise aus der
US 4,993,055 bekannt. Derartige Röntgenstrahler gestatten
prinzipiell die Realisierung sehr hoher Röntgenleistungen,
die in der Praxis jedoch das Problem der Realisierung des
notwendigen Wärmeübergangskoeffizienten und der damit verbun
denen Wärmeübertragung von der Außenseite der Anode auf das
Kühlmittel stellen.
Die Wärmeübertragung von der Außenseite der Anode auf das
Kühlmittel kann verbessert werden, indem die Drehzahl der
Drehkolbenröhre und/oder der mittlere Radius der Anode, der
annähernd dem sogenannten Brennbahnradius entspricht, ver
größert wird. Beide Maßnahmen sind nur in begrenztem Umfang
möglich, da einerseits der Vergrößerung des mittleren Radius
der Anode durch die maximal zulässige Baugröße des Röntgen
strahlers Grenzen gesetzt sind und andererseits mit zunehmen
der Drehzahl der Drehkolbenröhre zumindest im Falle von flüs
sigen Kühlmitteln die zwischen der Drehkolbenröhre und dem
Kühlmittel auftretenden Reibungsverluste rasch inakzeptabel
hoch werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röntgenstrah
ler der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine Ver
besserung des Wärmeübergangs von der Außenseite der Anode zu
dem Kühlmittel ohne Vergrößerung des mittleren Radius der
Anode und ohne Steigerung der Drehzahl der Drehkolbenröhre
möglich ist.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen
Röntgenstrahler mit einem ein fluidisches, d. h. gasförmiges
oder flüssiges, Kühlmittel enthaltenden Gehäuse, in dem eine
Drehkolbenröhre drehbar gelagert ist, die ein evakuiertes,
eine Kathode und eine Anode enthaltendes Vakuumgehäuse auf
weist, wobei die Anode eine Wandung des Vakuumgehäuse bildet,
an ihrer Außenseite von dem Kühlmittel beaufschlagt ist und
an ihrer Außenseite eine die Oberfläche der Außenseite ver
größernde Profilierung aufweist, beispielsweise indem die
Außenseite aufgerauht und/oder mit Rippen und/oder gemäß ei
ner bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit wenigstens
einer Nut versehen ist. Infolge einer solchen Vergrößerung
der Oberfläche der Außenseite der Anode durch Profilierung
kann bei gegebener Drehzahl der Drehkolbenröhre und gegebenem
mittleren Durchmesser der Anode mehr Wärme pro Zeiteinheit
von der Außenseite der Anode auf das Kühlmittel übertragen
werden. Alternativ kann bei gleichbleibender, pro Zeiteinheit
von der Außenseite der Anode auf das Kühlmittel übertragener
Wärmemenge der mittlere Durchmesser der Anode und/oder die
Drehzahl der Drehkolbenröhre reduziert werden.
Aus der DE-PS 71 80 31 und der DE-OS 23 50 807 sind Röntgen
röhren mit feststehenden Anoden bekannt, deren Anoden als
Hohlkörper ausgeführt und an ihrer mit einem Kühlmittel be
aufschlagten Innenseite mit einer deren Oberfläche ver
größernden Profilierung versehen sind. Es rotiert also weder
die Anode relativ zu dem Kühlmittel noch wird die Außenseite
der Anode von dem Kühlmittel beaufschlagt.
Dies gilt auch für eine aus der US 5,056,127 bekannte Rönt
genröhre mit einer rotierenden Anode. Auch hier ist die Anode
als Hohlkörper ausgeführt, dessen von einem Kühlmittel beauf
schlagte Innenseite mit einer deren Oberfläche vergrößernden
Profilierung versehen ist. Das Kühlmittel befindet sich in
der rotierenden Anode.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, daß die Profilierung derart ausgebildet ist, daß
sie eine Förderwirkung für das Kühlmittel entfaltet. In die
sem Fall übernimmt also die Profilierung eine zusätzliche
Funktion, indem sie eine Strömung des Kühlmittels, beispiels
weise in einem Kühlkreislauf, zumindest begünstigt, so daß
eine Pumpe zur Aufrechterhaltung eines solchen Kreislaufes
entweder völlig entbehrlich ist oder aber eine verringerte
Leistung aufweisen kann, der für die Förderung des Kühlmit
tels zu treibende Aufwand also verringert ist.
Eine besonders gute Förderwirkung wird gemäß einer Variante
der Erfindung erreicht, wenn die Außenseite der Anode einer
Querwand des Gehäuses benachbart gegenüberliegend angeordnet
ist, welche eine von einer der drehbaren Lagerung der Dreh
kolbenröhre in dem Gehäuse dienenden Lagerwelle derart durch
setzte Öffnung aufweist, daß ein Einströmquerschnitt für
Kühlmittel verbleibt, das im Bereich des äußeren Umfangs der
Anode aus dem Gehäuse strömt. Der eine optimale Förderwirkung
ermöglichende Abstand zwischen der Querwand und der Außen
seite der Anode hängt von der jeweils gewählten Art der Pro
filierung ab und kann ohne erfinderische Tätigkeit durch ein
fache Versuche vom Fachmann ermittelt werden.
Eine gute Förderwirkung wird realisiert, wenn die Profilie
rung der Außenseite der Anode durch wenigstens eine von innen
nach außen spiralig verlaufende Nut gebildet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten
schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Röntgenstrahler, und
Fig. 2 eine Ansicht der Außenseite der Anode der in dem
Röntgenstrahler gemäß Fig. 1 enthaltenen Drehkolben
röhre.
Der erfindungsgemäße Röntgenstrahler weist ein Gehäuse 1 auf,
in dem eine Drehkolbenröhre 2 um die Mittelachse M der Anord
nung drehbar gelagert ist.
Die Drehkolbenröhre weist ein kolbenartiges, isolierendes
Vakuumgehäuse 3 mit einem im wesentlichen zylindrischen Be
reich 4 und einem daran anschließenden, sich kegelstumpfför
mig erweiternden Abschnitt 5 auf.
Am freien Ende des zylindrischen Bereichs 4 des Vakuumgehäu
ses 3 ist als Elektronenemitter eine Kathode 6 angeordnet,
die über einen Übertrager 7 mit einer nicht dargestellten
Heizstromquelle verbunden und auf über einen stiftförmigen
Schleifkontakt an den negativen Pol eines nicht dargestellten
Hochspannungsgenerators angeschlossen ist. Der Kathode 6 ist
eine Fokussierungselektrode 8 zugeordnet, die zum Einstellen
der Querschnittsgröße des mit 9 bezeichneten Elektronen
strahls dient, der von der Kathode 6 im Betrieb emittiert
wird. Die Fokussierungselektrode wird in nicht dargestellter
weise auf ein dem jeweils gewünschten Querschnittsgröße des
Elektronenstrahls 9 entsprechendes Potential gelegt.
An dem der Kathode 6 gegenüberliegenden Ende des Vakuumgehäu
ses 3 ist eine Anode 10 vorgesehen, die den Abschluß des im
Inneren evakuierten Vakuumgehäuses 3 bildet. Die Anode 10
weist einen Anodenteller 11 auf, der an seiner Innenseite ei
nen Anodenrand 12 aufweist, der beispielsweise mit Wolfram
belegt ist.
Das Vakuumgehäuse 3 mit der Anode 10 ist in bezug auf die
Mittelachse M wenigstens im wesentlichen rotationssymmetrisch
ausgebildet und an seinen beiden enden mit jeweils einem Wel
lenstummel 13, 14 versehen. Zur drehbaren Lagerung der Dreh
kolbenröhre 2, d. h. des Vakuumgehäuses 3 mit Kathode 6 samt
Fokussierungselektrode 8 und Anode 10, in dem Gehäuse 1 sind
die Wellenstummel 13, 14 aufnehmende Lagerelemente, z. B.
Wälzlager 15 und 16, vorgesehen, wobei in Fig. 1 ebenfalls
nicht gezeigte Antriebsmittel vorgesehen sind, um die Dreh
kolbenröhre im Betrieb des Röntgenstrahlers in Rotation ver
setzen zu können.
Die von der Kathode 6 elektrisch isolierte Anode 10 liegt in
der sogenannten einpoligen Betriebsweise auf Massepotential
oder bei zweipoligem Betrieb auf einem positiven Potential.
Zwischen der Kathode 6 und der Anode 9 stellt sich also in
folge der zwischen beiden anliegenden Röhrenspannung, die der
ein elektrisches Feld ein, welches zur Beschleunigung der von
der Kathode 6 in Form des Elektronenstrahl 9 emittierten
Elektronen in Richtung auf die Anode 10 dient.
Der von der Kathode 6 ausgehende, dem Röhrenstrom entspre
chende Elektronenstrahl 9 weist im Falle des beschriebenen
Ausführungsbeispiels infolge einer wenigstens im wesentlichen
rotationssymmetrischen Ausbildung von Kathode 6 und Fokussie
rungselektrode 8 einen wenigstens im wesentlichen kreisförmi
gen Querschnitt auf. Um zu gewährleisten, daß der Elektronen
strahl 9 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einem defi
nierten, mit FS bezeichneten Brennfleck auf den kegelstumpf
förmigen Anodenrand 12 auftrifft, ist ein Magnetsystem 17
vorgesehen, das an den zylindrischen Bereich 4 des Vakuumge
häuses 3 umgibt und in dem Gehäuse 1 befestigt ist und dem
nach im Betrieb nicht mit dem Vakuumgehäuse 3 rotiert. Das
Magnetsystem 17 wird von einer Versorgungseinheit 18 mit
elektrischen Signalen, versorgt, die zum einen der Erzeugung
eines Dipolfeldes und zum anderen der Erzeugung eines diesem
überlagerten Quadrupolfeldes dienen.
Das Quadrupolfeld dient zusammen mit der Fokussierungselek
trode 8 der Fokussierung des Elektronenstrahls 9 und damit
zur Realisierung eines Brennflecks definierter Größe. Das
Dipolfeld dient dazu, den Elektronenstrahl 9 derart abzulen
ken, daß der Brennfleck FS an einer definierten Stelle auf
den Anodenrand 12 entsteht. Die dem Magnetsystem 17 von der
Versorgungseinheit 18 zugeführten elektrischen Signale sind
mittels zweier Stellelemente 19 und 20 einstellbar, um die
Fokussierung und die Ablenkung des Elektronenstrahls 9 ein
stellen zu können.
Die von dem Brennfleck FS ausgehende, in Fig. 1 durch einen
Pfeil R angedeutete Röntgenstrahlung tritt durch einen Be
reich verringerter Wandstärke aus dem Vakuumgehäuse 2 und
durch ein mit 21 bezeichnetes Strahlenaustrittsfenster aus
dem Gehäuse 1 aus.
Die Anode 10 wird an ihrer Außenseite 22 von einem durch
Pfeile angedeuteten flüssigen Kühlmittel umströmt, die das
Gehäuse 1 zumindest in demjenigen Bereich ausfüllt, in dem
sich das Vakuumgehäuse 3 befindet. Das Kühlmittel dient zur
Abfuhr der bei der Erzeugung der Röntgenstrahlung entstehen
den thermischen Energie, die in der Größenordnung von 99% der
der Drehkolbenröhre zugeführten elektrischen Energie liegt.
Die Außenseite 22 der Anode 10 liegt unter Bildung eines en
gen Spalts einer entsprechend geformten Zwischenwand 23 mit
geringem Abstand gegenüber, die auf der Innenseite mit einer
den Wellenstummel 14 umgebenden Einströmöffnung 24 für Kühl
mittel versehen ist. Vom Kühlmitteleinlaß 25 des Gehäuses 1
gelangt das mittels eines nicht gezeigten äußeren Wärmetau
scher gekühlte Kühlmittel in den Rückraum 26 hinter der Zwi
schenwand 23 und über die Einströmöffnung 24 in den Raum 27
zwischen der Außenseite 22 der Anode 10 und der Zwischenwand
23. In diesem Zwischenraum fließt es radial nach außen zum
Kühlmittelauslaß 28. Um den Wärmeübergangskoeffizienten und
damit die Wärmeübertragung von der Anode 10 zum Kühlmittel zu
erhöhen und damit die Belastbarkeit der Anode 10 zu erhöhen,
ist die Außenseite 22 der Anode 10 mit einer ihre Oberfläche
vergrößernden Profilierung versehen. Im gezeigten Ausfüh
rungsbeispiel - statt dessen wäre auch für viele Zwecke eine
bloße Aufrauhung der Außenfläche ausreichend - ist die Pro
filierung als spiralig von innen nach außen verlaufende Nut
29 ausgebildet. Neben der dadurch bewirkten Vergrößerung der
Kontaktoberfläche zum Kühlmittel ergibt sich hierbei eine Art
Pumpwirkung für das in der spiraligen Nut durch die Zen
trifugalkräfte nach außen geförderte Kühlmittel, so daß das
Umpumpen im Kühlmittelkreislauf verbessert wird. Gegebenen
falls kann durch diese Maßnahme eine gesonderte Umlaufpumpe
im Kühlmittelkreislauf völlig eingespart werden. Anstelle der
spiraligen Nut 29 wäre aber auch eine Mehrzahl konzentrischer
Nuten denkbar.
Claims (6)
1. Röntgenstrahler mit einem ein fluidisches Kühlmittel ent
haltenden Gehäuse (1), in dem eine Drehkolbenröhre (2) dreh
bar gelagert ist, die ein evakuiertes, eine Kathode (6) und
eine Anode (10) enthaltendes Vakuumgehäuse (3) aufweist, wo
bei die Anode (10) eine Wandung des Vakuumgehäuses (3) bil
det, an ihrer Außenseite (22) von dem Kühlmittel beaufschlagt
ist und an ihrer Außenseite (22) eine die Oberfläche der
Außenseite (22) vergrößernde Profilierung aufweist.
2. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, bei dem die Profilierung
der Außenseite (22) der Anode durch wenigstens eine Nut (29)
gebildet ist.
3. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, bei dem die Profilierung
derart ausgebildet ist, daß sie eine Förderwirkung für das
Kühlmittel entfaltet.
4. Röntgenstrahler nach Anspruch 3, bei dem die Profilierung
der Außenseite (22) der Anode (10) durch wenigstens eine von
innen nach außen spiralig verlaufenden Nut (29) gebildet ist.
5. Röntgenstrahler nach Anspruch 3, bei dem die Außenseite
(22) der Anode (10) einer Querwand (23) des Gehäuses (1) be
nachbart gegenüberliegend angeordnet ist, welche eine von ei
ner der drehbaren Lagerung der Drehkolbenröhre (2) in dem Ge
häuse dienenden Lagerwelle (14) durchsetzte Öffnung (24) auf
weist, die derart bemessen ist, daß ein Einströmquerschnitt
für Kühlmittel verbleibt, das im Bereich des äußeren Umfangs
der Anode (10) aus dem Gehäuse (1) strömt.
6. Röntgenstrahler nach Anspruch 5, bei dem die Profilierung
der Außenseite der Anode (10) durch wenigstens eine von innen
nach außen spiralig verlaufenden Nut (29) gebildet ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20120517 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20130101 |