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(11) | EP 1 120 808 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Röntgenröhre mit Kerndrehanode |
| (57) Übliche Röntgenröhren sind als Fest- oder als Drehanodenröhren ausgebildet. Während
jene in der Leistung begrenzt sind haben diese einen komplizierten Aufbau. Die erfindungsgemäße
Röntgenröhre hat eine Anode, die einen festen Mantel und einen darin drehbar gelagerten
Kern umfaßt. Sie ist dadurch kompakter als eine Drehanodenröhre und erlaubt höhere
Brennfleckbelastungen als eine Festanodenröhre. Die Röhre kann für bildgebende Verfahren
bei der medizinischen Diagnostik und bei der Materialprüfung angewendet werden. |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit statischer Kathode und einem sich im Inneren der Festanode befindenden drehbaren Anodenkern mit vorzugsweise kegelförmiger Bremsstrahlfläche (Target).
[0002] Bei Festanodenröntgenröhren nach Stand der Technik (z. B. LOHMANN Typ 160/25 HA) ist die maximal zu erreichende thermische Belastung des Brennflecks durch das Targetmaterial begrenzt. Besonders bei kleinen Brennflecken und hohem Röhrenstrom, wie sie für hochauflösende bildgebende Verfahren benötigt werden, wird das Targetmaterial im Betrieb abgetragen, bevor eine effektive Kühlung des Targets möglich wäre. Durch zunehmendes Abtragen des Targetmaterials verschlechtern sich die Betriebswerte einer solchen üblichen Festanodenröhre was endlich zu ihrem völligen Versagen führen kann. Solche Röhren werden daher vorwiegend für geringe Belastungen des Brennflecks angewendet, wenn empfindliche Detektoren verfügbar sind oder lange Belichtungszeiten in Kauf genommen werden können.
[0003] Dieser Nachteil wird durch die Rotation des Targets unter dem statischen Brennfleck verhindert, indem die thermisch belastete Fläche ringförmig vergrößert wird. Bei solchen Drehanodenröntgenröhren (z. B. VARIAN Typ A145) wird ein Elektronenstrahl deutlich außerhalb der Längsachse der Röhre auf einen Anodenteller mit relativ großem Durchmesser fokussiert. Diese bekannte Bauform ist in der Lage hohe Ströme bei relativ kleinen Brennflecken zu realisieren. Die thermische Belastung wird durch die Wärmekapazität des Anodentellers ausgeglichen, wenn die Röhre im Impulsbetrieb verwendet wird. Die relativ schnelle Rotation des schweren Anodentellers macht eine aufwendige Lagerung notwendig und kann trotzdem unerwünschte Schwingungen verursachen, welche die Abbildungsqualität verschlechtern. Außerdem ist es schwierig, die Anode direkt zu kühlen. Die Drehanodenröntgenröhren sind als Ergebnis relativ komplex, groß und teuer.
[0004] Die Aufgabe ist, durch die Erfindung eine Röntgenröhre zu erstellen, die bei guter Abbildungsqualität eine gegenüber der Festanodenröhre höhere Belastung des Brennflecks gestattet und dabei gegenüber der Drehanodenröhre kompakter, einfacher gebaut und dadurch preiswerter ist.
[0005] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Röntgenröhre nach dem Hauptanspruch. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
[0006] Der Mantel kann im wesentlichen die Gestalt eines Hohlzylinders haben und umschließt den dann ebenfalls im wesentlichen zylindrischen Kern. Außerhalb der Längsachse dieser Anordnung ist in der zur Kathode weisenden Stirnfläche des Mantels eine Öffnung vorgesehen, welche die von der Kathode emittierten und durch das elektrische Feld beschleunigten Elektronen zum Kern durchtreten läßt. Mantelinnenraum und Kern können aber auch andere Formen haben, die zueinander passen und die Drehung des Kerns erlauben, beispielsweise ineinander passenden Kegelstümpfe.
[0007] Der Mantel hat in seiner Seitenfläche in Höhe des Targets eine weitere Öffnung, welche die im Target erzeugten Röntgenstrahlen nach außen durchtreten läßt.
[0008] Bevorzugte Materialien sind für den Mantel Schwermetalle wie Kupfer, Wolfram sowie Legierungen und Verbundmaterial aus diesen Metallen, für den Kern Kupfer und für das Target Wolfram und Wolfram-Rhenium.
[0009] In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anodenkern nur an den beiden Stirnflächen gelagert. Weiter bevorzugt sind die Lager in der Mittelachse angeordnet und als Spitzenlager ausgebildet. Dabei ruht eine Spitze auf einer vorzugsweise konkaven Oberfläche. Das Material der Spitze und der Oberfläche kann gleich oder verschieden sein und hat bevorzugt eine mittlere bis hohe Härte. Geeignet sind z. B. Stahl, Diamant, Keramik, Wolfram.
[0010] Vorteilhaft hat das auf der zur Kathode weisenden Stirnfläche des Kerns angebrachte Target die Form eines Kegels, der vorzugsweise einen Öffnungswinkel von 0 bis 45 Grad hat. In diesem Fall kann das Spitzenlager an der Kegelspitze angebracht sein. Das Target kann auch die Form eines flachen Kegelstumpfs oder einer Scheibe haben.
[0011] Die Anode ist bevorzugt so ausgelegt, daß Drehzahlen des Kerns zwischen 1 und 1000 U/min möglich sind.
[0012] Der Spalt zwischen der Innenfläche des Mantels und dem Kern ist bevorzugt höchstens 1 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,5 mm weit.
[0013] Da der Mantelinnenraum mit dem Röhrenvakuum verbunden ist, muß er gegenüber der Atmosphäre verschlossen sein. Hierzu dient bevorzugt eine Wandung, vorzugsweise aus vakuumdichtem nichtmagnetischem Material wie Kupfer, Edelstahl oder Beryllium. Die Wandung kann mit einem bekannten Verfahren wie Löten oder Schweißen mit dem Mantel verbunden werden.
[0014] Außerhalb des Innenraums der Röhre, bevorzugt auf der Atmosphärenseite dieser Wand, können Mittel vorgesehen sein, um den drehbar gelagerten Kern im Innern der Röhre anzutreiben. Dies kann ein bewegtes Magnetfeld sein, wenn der Kern magnetisch oder magnetisierbar ist. Ein bewegtes Magnetfeld kann von einem oder mehreren rotierenden Magneten erzeugt werden. Dieser kann zumindest teilweise als Flügelrad ausgebildet oder in ein solches eingebaut sein und sich in einem von einem Fluid (z. B. Öl, Luft, Wasser) durchströmten Hohlraum befinden, so daß er von dieser Strömung angetrieben wird. Ein anderes bevorzugtes Antriebsmittel ist ein Motor, z. B. ein Elektromotor.
[0015] Beispielsweise können zwei Einsätze, vorzugsweise aus Eisen, in das Ende des rotierenden Kerns, sowie ein Magnetepaar in ein Flügelrad eingebaut sein, welches durch eine dünne Metallwandung von dem Vakuumraum getrennt und in einer eigenen kleinen, zum Generatorgehäuse offenen Kammer geführt wird. Für den Ölstromantrieb wird dabei Isolieröl aus dem Generatorgehäuse mittels Schlauchanschluss in diese Kammer außerhalb des Vakuumraums gepumpt und das Flügelrad angetrieben. Dadurch wird der innere Anodenkern zur Rotation gebracht und gleichzeitig Wärme aus dem Anodenende mit dem Ölstrom abgeführt.
[0016] Auch der Mantel kann zur Kühlung von einem Fluid, vorzugsweise Öl, durchströmt werden und dafür mit geeigneten Bohrungen und Zuleitungen versehen sein.
[0017] Der den drehbaren Kern umschließende Mantel wirkt auch als Elektronenfangkopf mit Fenster zur Verbesserung der elektrischen Laufruhe. Er ist dann vorzugsweise aus Schwermetall, um unerwünschte Rückstrahlung zu vermeiden. Außerdem läßt das Fenster nur Strahlung in der gewünschten Richtung austreten und dient so dem Strahlenschutz. Ein besonderer Fangkopf, wie ihn z. B. die US 4,309,637 für eine Drehanodenröhre beschreibt, ist nicht erforderlich.
[0018] Die Anordnung erlaubt eine sehr präzise Führung des Targets und letztendlich eine scharfe Brennfleckabbildung.
[0019] Ein weiterer Vorteil der Anordnung des rotierenden Kerns innerhalb des Mantels ist die Möglichkeit, Wärme aus dem Kern mittels Wärmestrahlung in den Mantel abzuleiten. Dies wird durch einen engen Spalt zwischen Kern und Mantel ermöglicht und kann auch durch Mattieren, Schwärzen oder Aufrauhen der sich gegenüberliegenden Flächen noch weiter gefördert werden. Der Mantel selbst kann einfach und direkt mittels eines Fluids, vorzugsweise durch Öl, gekühlt werden.
[0020] Weiter erlaubt die Anordnung eine einfache magnetische Koppelung des rotierenden Anodenkerns mit außerhalb des Vakuumraums eingebauten Magneten, die ihrerseits leicht z. B. durch einen Elektromotor oder durch einen Ölstrom angetrieben werden können. Dazu sind zwei Einsätze, vorzugsweise aus Eisen, in das Ende des rotierenden Kerns, sowie ein oder mehrere Magnete z. B. in ein Flügelrad eingebaut, welches durch eine dünne Metallwandung von dem Vakuumraum getrennt und in einer eigenen kleinen, zum Generatorgehäuse offenen Kammer geführt wird.
[0021] Insgesamt wird durch die streng axiale Anordnung des Anodenkerns mit Anodenfangkopf und dem dadurch ermöglichten 2-Spitzenlager eine schlanke und kostengünstige Konstruktion gewährleistet.
[0022] Die erfindungsgemäße Röhre kann in einen Hochspannungsgenerator eingebaut werden, ohne daß ein separates Röhrengehäuse notwendig ist. Sie kann für bildgebende Verfahren, beispielsweise bei der medizinischen Diagnostik und bei der Materialprüfung angewendet werden.
[0023] Als Beispiel der Erfindung wird in nachfolgender Zeichnung der schematische Aufbau des beschriebenen Röhrentyps beispielhaft abgebildet.
[0024] In einem Vakuumgehäuse 1 (hier aus Glas) sind auf einer Mittelachse Z Anode 2 und Kathode 3 rotationssymmetrisch fest mit diesem verbunden. In der Kathode befindet sich in geringem Abstand von der Mittelachse Z der oder die Heizwendel(n) 4 um die über die anliegende Hochspannung zu beschleunigenden Elektronen zu emittieren. Die Elektronen treten durch die Öffnung 14 in den Innenraum des Mantels ein. Die Bremsstrahlung entsteht auf der vorzugsweise kegelförmigen, hochwärmefesten Oberfläche des Wolfram-Targets 5 auf dem Anodenkern 6. Durch ein oberes 7 und eine unteres 8, zusätzlich vorgespanntes Spitzenlager, wird der Anodenkern 6 präzise auf der Mittelachse Z drehbar gelagert. Die Lager bestehen aus Wolframspitzen, die auf konkaven Keramikflächen ruhen. Das untere Gegenlager ruht auf einer dünnen Wandung 9 aus Beryllium, die den Vakuumraum abschließt und gleichzeitig durchlässig ist für die magnetischen Koppelkräfte 10, 11. Das untere Festmagnetepaar 11 sitzt in einem separat gelagerten Flügelrad 12, das hier beispielhaft entweder durch einen Ölstrom A oder durch einen Elektromotor B angetrieben werden kann. Durch diese Ausbildung fungiert dieser Bereich der Vorrichtung als Kühler.
[0025] Während des Betriebs wird der Anodenkern 6 in eine Rotationsbewegung um die Mittelachse Z versetzt. Da die axiale Länge des Kerns größer als sein Durchmesser ist, sind ggf. auftretende Unwuchten gering. Die auf der Prallfläche 5 (Target) entstehende Bremsstrahlenergie verläßt als Röntgenstrahlung die Anode 2 durch das Anodenfenster 13. Dabei hält der Anodenmantel 2 unerwünschte Strahlung und freie elektrische Ladungsteilchen zurück. Der überwiegende Teil der Energie verbleibt als Wärme im Target 5 und wird weiter in den Anodenkern 6 abgeleitet und verteilt. Über Wärmestrahlung wird die Energie weiter in den Mantel 2 übertragen und über direkten Wärmeaustausch in das die Röhre umgebende Medium (vorzugsweise Öl) abgeleitet.
Bezugszeichenliste
1. Röntgenröhre mit einer feststehenden Kathode (3) und einer Anode, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode einen feststehenden Mantel (2) und einen innerhalb des Mantels drehbar
gelagerten, im wesentlichen zylindrischen Kern (6), der auf der zur Kathode weisenden
Stirnfläche ein Target (5) trägt, umfaßt, und daß der Mantel in seiner zur Kathode
weisenden Stirnfläche au-ßerhalb der Mittelachse und in seiner Seitenfläche in Höhe
des Targets Öffnungen (14, 13) für den Durchtritt der beschleunigten Elektronen und
der im Target erzeugten Röntgenstrahlen aufweist.
2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (6) nur an seinen beiden Stirnflächen gelagert ist.
3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (7, 8) in der Mittelachse angeordnet sind.
4. Röntgenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (7, 8) Spitzenlager sind.
5. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (5) die Form eines Kegels oder Kegelstumpfs oder einer Scheibe hat.
6. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen Kern und Mantelinnenfläche höchstens 1 mm weit ist.
7. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Innenraum durch eine Wand 9 innerhalb des Mantels (2) verschlossen ist.
8. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerhalb ihres Innenraums Mittel aufweist, die den Kern (6) antreiben können.
9. Röntgenröhre nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmittel ein bewegliches Magnetfeld (10, 11) ist.
10. Röntgenröhre nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Magnetfeld von einem oder mehreren rotierenden Magneten erzeugt
wird.
11. Röntgenröhre nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet so geformt ist, daß er von strömendem Kühlfluid angetrieben werden
kann.
12. Röntgenröhre nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet zumindest teilweise als Flügelrad geformt oder in ein solches eingebaut
ist.
13. Röntgenröhre nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Motor zum Antrieb der Magneten umfaßt.
14. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) Bohrungen und Zuleitungen A zum Durchleiten eines Kühlfluids
aufweist.