DE102004003370B4

DE102004003370B4 - Hochleistungsanodenteller für eine direkt gekühlte Drehkolbenröhre

Info

Publication number: DE102004003370B4
Application number: DE102004003370.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Freudenberger Jörg; Peter Röhrer; Dr. Schardt Peter
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: US20050185761A1; US7197119B2; DE102004003370A1

Abstract

Hochleistungsanodenteller für eine direkt mit einem Kühlmedium gekühlte Drehkolbenröhre, der aus einem hochtemperaturbeständigen Material, wie z. B. Wolfram, Molybdän oder einer Kombination beider Materialien, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Brennfleckbahn in den Anodenteller (2) ein anderes hochwärmeleitfähiges Material so ein- oder angebracht ist, dass sich eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Anodenteller in das Kühlmedium und damit ein geringerer Temperaturgradient ergibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsanodenteller für eine direkt mit einem Kühlmedium gekühlte Drehkolbenröhre, der aus einem hochtemperaturbeständigen Material, wie z. B. Wolfram, Molybdän oder einer Kombination beider Materialien, besteht.
Hochleistungsröhren können auf zwei Wegen gekühlt werden. Die effektivste bekannte Kühlmethode ist die Direktkühlung insbesondere bei RET-Technologie (Rotating-Envelope-Tube). Aufgrund der im Brennfleck der Röntgenröhre zwangsläufig entstehenden sehr hohen Temperaturen, muss das Targetmaterial im Auftreffbereich aus einem hochtemperaturbeständigen Material, wie z. B. Wolfram oder Molybdän, bestehen. In der Regel kommt ein Materialverbund aus einer Kombination dieser beiden Materialien zum Einsatz. Die bislang bekannten, direkt gekühlten, Anodenteller der Hochleistungsröntgenröhren besitzen keinen optimierten Wärmewiderstand, was die mit einer solchen Röhre mögliche Leistung begrenzt. Ein weiterer Schwachpunkt der bekannten Anordnungen ist die nicht optimale Wärmeankopplung zum Kühlmedium, z. B. Wasser oder Öl. So muss die Energie über eine verhältnismäßig kleine Oberfläche abtransportiert werden. Auf dieser Oberfläche dürfen die durch das Kühlmedium vorgegebenen Temperaturen keinesfalls überschritten werden. Mögliche Szenarien wären das schlagartige Verdampfen oder das chemische Aufbrechen (cracken) des Kühlmediums.
In DE 199 56 491 A1 ist ein Röntgenstrahler offenbart, der eine Drehkolbenröhre mit direkt gekühltem Anodenteller umfasst.
DE 28 07 561 A1 beschreibt einen Drehanodenteller für eine Röntgenröhre, in den sehr viele kleine Löcher, deren Tiefe größer als ihr Durchmesser ist, eingebracht sind. Damit wird eine Fläche erzeugt, die näherungsweise die Abstrahlcharakteristik eines schwarzen Körpers hat. Bei diesem nicht gekühlten Drehanodenteller kann die Wärme also ideal in Form von Photonen abgestrahlt werden.
DE 32 36 104 A1 offenbart einen weiteren, nicht direkt gekühlten Drehanodenteller. Zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik ist dessen Oberfläche mit einer Schicht amorphem Kohlenstoffs versehen, deren Abstrahlung annähernd der eines schwarzen Körpers entspricht.
US 3 959 685 A beschreibt einen weiteren, nicht gekühlten Drehanodenteller, der aus einem temperaturbeständigen Material gefertigt ist, das jedoch Hohlräume besitzt, in die ein Material (insbesondere Kupfer) eingefügt wird, welches eine Schmelztemperatur nahe der maximalen Betriebstemperatur des Drehanodentellers besitzt. Dieser Hohlraum wird dann verschlossen, da bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das enthaltene Kupfer schmilzt, wobei Wärme zum Aufbrechen der metallischen Bindung verbraucht wird, was wiederum die Wärmekapazität des Drehanodentellers erhöht.
US 4 271 372 A beschreibt einen nicht gekühlten Drehanodenteller, der aus einem porösen Körper aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt besteht, dessen Poren mit einem Material niedrigeren Schmelzpunktes, aber hoher Wärmekapazität gefüllt sind. Dieser Körper ist von einer Schicht schwer schmelzbarem Materials umgeben, aus dem normalerweise der gesamte Anodenteller gefertigt wird.
US 3 795 832 A offenbart einen nicht direkt gekühlten, Wärme abstrahlenden Drehanodenteller, der aus mehreren Materialschichten aufgebaut ist. Dabei geht es zum einen darum, die mechanische Stabilität aufgrund thermischer Ausdehnung zu sichern als auch wiederum eine gute Wärmeableitung innerhalb des Anodentellers zu sichern.
CH 545 538 A betrifft einen Drehanodenteller, der besonders stabil gegen Rissbildung ist. Dazu wird er aus drei Schichten aufgebaut.
DE 199 29 655 A1 offenbart einen Röntgenstrahler mit einer durch ein fluidisches Kühlmittel direkt gekühlten Anode einer Drehkolbenröhre. Dort soll nun der Wärmeübergang von der Außenseite der Anode zu dem Kühlmittel verbessert werden, weswegen dort vorgesehen ist, dass an der Außenseite der Anode eine die Oberfläche der Außenseite vergrößernde Profilierung vorgesehen ist, beispielsweise indem die Außenseite aufgeraut und/oder mit Rippen und/oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit wenigstens einer Nut versehen ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungsanodenteller für eine direkt gekühlte Drehkolbenröhre derart auszugestalten, dass sich eine verbesserte Wärmeabfuhr und damit eine höhere mögliche Leistung der Drehkolbenröhre ergibt.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Hochleistungsanodenteller der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen, dass im Bereich der Brennfleckbahn in den Anodenteller ein anderes hochwärmeleitfähiges Material so ein- oder angebracht ist, dass sich eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Anodenteller in das Kühlmedium und damit ein geringerer Temperaturgradient ergibt. Zusätzlich kann der Anodenteller im Bereich der Brennfleckbahn auch so geformt sein, dass diese Verbesserungen eintreten.
In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann hierzu vorgesehen sein, dass die Unterseite des Anodentellers im Bereich der Brennfleckbahn in der Ebene einer Isotherme liegt, was in erster Näherung dadurch erreicht wird, dass man die Unterseite in diesem Bereich parallel zur Brennbahnoberfläche verlaufen lässt. Zusätzlich kann dabei dieser Bereich der Unterseite des Anodentellers, wo die entscheidende Wärmeabfuhr an das flüssige Kühlmittel erfolgen muss, mit einer Oberflächenvergrößerung versehen sein, beispielsweise durch Vorsehen von Rillen bzw. Rippen oder aber auch durch Aufrauen der Unterseite, beispielsweise durch Sandstrahlen.
Eine weitere Verbesserung der Wärmeabfuhr und damit eine Verringerung des Temperaturgradienten ergibt sich in Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass in den Anodenteller von unten ein Ringein- oder -ansatz aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Kupfer od. dgl., ein- oder angebracht ist, dessen Radialbreite zumindest an der Unterseite größer ist als die Brennfleckbreite, und mit dem Kolben vakuumdicht direkt verbunden sein kann.
Dieser Ringeinsatz wirkt als Temperaturspreizer derart, dass die Temperatur sehr rasch auch seitlich in Bereiche nach unten abgeleitet wird, sodass ein größerer Teil der Unterseite des Anodentellers zur Wärmeabgabe zur Verfügung steht. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass zwar Wolfram und Molybdän sehr hochtemperaturbeständig sind, dass sie aber relativ schlechte Wärmeleiter sind, während umgekehrt Kupfer weit weniger hochtemperaturbeständig ist, dafür aber ein sehr guter Wärmeleiter ist. Die extrem hohen Temperaturen in der Brennfleckbahn stehen nur an den entsprechenden Materialien Molybdän oder Wolfram an, während der Ringeinsatz aus gut wärmeleitendem Material infolge der sich einstellenden Temperaturgradienten erheblich geringer belastet wird, dafür aber die ankommende Wärme äußerst rasch und großflächiger nach unten an das Kühlmittel abführt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch eine Drehkolbenröhre mit einem herkömmlichen Hochleistungsanodenteller,
2 einen der 1 entsprechenden Schnitt durch eine Anordnung mit an die Isotherme angepasstem Anodenteller,
3 einen der 2 entsprechenden Schnitt durch eine Anordnung mit zusätzlichem Temperaturspreizer aus Kupfer und
4 eine verbesserte Variante der Anordnung nach 3 mit zusätzlicher verbesserter Kühlfläche zum Kühlmittel.
Bei 1 ist in 1 die Symmetrieachse zu erkennen, um die die Drehanodenröhre mit dem gezeigten aus Wolfram und/oder Molybdän bestehenden Anodenteller 2 rotiert. Die darüber zu denkende Kathode ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und daher in den Zeichnungen nicht dargestellt. Die Drehkolbenröhre weist einen Kolben 3 auf, der im Kühlmittel rotiert. Mit dem Kolben rotiert auch der Anodenteller, der an seiner Unterseite 4 in direktem Kontakt zum umgebenden Kühlmittel 5 steht.
Um eine verbesserte Wärmeabfuhr vom hochbelasteten Brennfleck auf der Brennbahnoberfläche 6 nach unten zur Unterseite 4 des Anodentellers zu erreichen, ist beim Ausführungsbeispiel nach 2 eine geometrische Anpassung der Tellerform vorgenommen worden derart, dass eine schräge Anodentellerrückseite 7 vorhanden ist, die in etwa parallel zur Brennbahnoberfläche 6 liegt und damit praktisch in einer Isotherme, da die Isothermen in etwa parallel zur Brennbahnoberfläche verlaufen. Auf diese Art und Weise ergibt sich eine gleichmäßige Temperatur auf diesem Bereich 7 der Unterseite 4 des Anodentellers und damit eine verbesserte Wärmeabfuhr, die im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 2 noch dadurch verbessert ist, dass dieser Bereich 7 der Unterseite des Anodentellers mit einer den Wärmeübergang erhöhenden Oberflächenerhöhung durch Rillung oder Aufrauung versehen ist.
Die 3 zeigt einen noch weiter, erfindungsgemäß verbesserten Aufbau eines Hochleistungsanodentellers, wobei zusätzlich zur an diese Thermen angepassten Formgebung des Wolfram/Molybdän Anodentellers dieser mit einem Temperaturspreizer aus einem hochwärmeleitfähigen Material, wie z. B. Kupfer, versehen ist. In die Unterseite des Anodentellers 2 ist ein Ringeinsatz 8 aus Kupfer eingebracht, das zwar bei weitem nicht so hochtemperaturbeständig ist wie Wolfram oder Molybdän, das aber die Wärme sehr viel besser ableiten kann. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Wärme nicht nur direkt nach unten unter die Brennbahn geleitet wird, sondern dass eine seitliche Abfuhr erfolgt, sodass die Gesamtfläche, an der eine wirksame Kühlung stattfinden kann (Unterseite des Kupfer-Ringeinsatzes 8), sehr viel größer ist und damit eine Erhöhung der Wärmeableitung erzielt wird. Alle diese Maßnahmen führen zu einem geringeren Temperaturgradienten, das heißt der Temperaturunterschied zwischen dem Brennfleck und der Unterseite des Anodentellers in Kontakt mit dem Kühlmittel ist geringer und damit sind auch die Gefahren einer Rissbildung oder sonstiger Zerstörungen des Anodentellers bei entsprechend hoher Belastung kleiner. Anders ausgedrückt kann man durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine Drehkolbenröhre mit höherer Leistung betreiben.
Die 4 zeigt den Aufbau gemäß 3 wobei jedoch die Unterseite des Kupfer-Ringeinsatzes 8 zusätzlich mit Rillen versehen ist oder mit einer sonst wie vergrößerten rauen Oberfläche, beispielsweise durch Sandstrahlen.
Die 5 zeigt in einem Diagramm die Brennflecktemperatur in Grad Celsius aufgetragen über die Zeit, wobei sich die unterschiedlichen Kurven auf Drehkolbenröhren mit unterschiedlichen Anodentellern beziehen, entsprechend den 1 bis 4. Die Kurven I bis IV stehen für die Anodenteller der 1 bis 4.
Ein Anodenteller gemäß dem Stand der Technik führt bei identischer Belastung nach kurzer Zeit zu deutlich höheren Brennflecktemperaturen (Kurve I) als die erfindungsgemäßen Varianten gemäß den Kurven III und IV.
Die Erfindung beruht somit auf zwei Aspekten:

1. Mittels des optimierten Wärmewiderstandes wird eine maximale Wärmestromdichte ermöglicht. Entscheidend hierfür ist entweder ein Teller minimaler Dicke oder geeigneter Materialfolge.
2. Durch den Wärmespreizer (Kupfer-Ringeinsatz), die Rillen oder das Sandstahlen kann eine zusätzliche Optimierung erreicht werden, da die Wärme am Kühlboden auf einer größeren Fläche abgegeben werden kann. Das obige Bild zeigt dabei, dass der erste Aspekt der wesentliche und der zweite Aspekt demgegenüber von nachrangiger Bedeutung ist.

Claims

Hochleistungsanodenteller für eine direkt mit einem Kühlmedium gekühlte Drehkolbenröhre, der aus einem hochtemperaturbeständigen Material, wie z. B. Wolfram, Molybdän oder einer Kombination beider Materialien, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Brennfleckbahn in den Anodenteller (2) ein anderes hochwärmeleitfähiges Material so ein- oder angebracht ist, dass sich eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Anodenteller in das Kühlmedium und damit ein geringerer Temperaturgradient ergibt.
Hochleistungsanodenteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seine Unterseite (7) im Bereich der Brennfleckbahn in der Ebene einer Isotherme liegt.
Hochleistungsanodenteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass seine Unterseite (7) im Bereich der Brennfleckbahn im Wesentlichen parallel zur Brennbahnoberfläche (6) verläuft.
Hochleistungsanodenteller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in ihn von unten ein Ringein- oder -ansatz (8) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Kupfer od. dgl., ein- oder angebracht ist, dessen radiale Breite zumindest an der Unterseite größer ist als die Brennfleckbreite und mit dem Kolben (3) vakuumdicht direkt verbunden sein kann.
Hochleistungsanodenteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Brennfleckbahn die Unterseite (7) des Anodentellers (2) so geformt ist, dass sich eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Anodenteller in das Kühlmedium und damit ein geringerer Temperaturgradient ergibt.
Hochleistungsanodenteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass seine in Kontakt mit der Kühlflüssigkeit stehende Unterseite (7) mit einer Oberflächenvergrößerung versehen ist.
Hochleistungsanodenteller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite mit Rillen bzw. Rippen versehen ist.
Hochleistungsanodenteller nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite, insbesondere durch Sandstrahlen, aufgeraut ist.