DE102005049273A1

DE102005049273A1 - Drehkolbenröhre

Info

Publication number: DE102005049273A1
Application number: DE102005049273A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Freundenberger; Ernst Neumeier; Matthias Seufert
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2025-10-15
Also published as: US7430279B2; US20070092065A1; DE102005049273B4; CN1949450B; CN1949450A; JP2007109663A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenröhre mit einem Gehäuse (1), welches ein für Röntgenstrahlen im Wesentlichen transparentes Röntgenaustrittsfenster (7) aufweist. Zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit wird vorgeschlagen, dass das Röntgenaustrittsfenster (7) in seinem Inneren eine für eine Kühlflüssigkeit durchströmbare Struktur (8) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Drehkolbenröhre ist beispielsweise aus der DE 103 35 664 B3 bekannt. Bei derartigen Drehkolbenröhren weist eine äußere Hülle des Gehäuses ein ringförmiges Röntgenaustrittsfenster auf, welches aus einem für Röntgenstrahlen transparenten Material hergestellt ist. In einem zwischen der äußeren Hülle und einer damit fest verbundenen inneren Hülle gebildeten Zwischenraum wird Kühlflüssigkeit zirkuliert. Insbesondere bei hohen Drehzahlen übt die Kühlflüssigkeit bedingt durch Fliehkräfte einen hohen Druck auf das Röntgenaustrittsfenster aus. Die maximale Drehzahl und damit auch die Leistung der Drehkolbenröhre werden u.a. durch die Festigkeit des Röntgenaustrittsfensters begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drehkolbenröhre mit weiter verbesserter Leistung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 14.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass das Röntgenaustrittsfenster in seinem Inneren eine für eine Kühlflüssigkeit durchströmbare Struktur aufweist. – Damit ist es möglich, das Röntgenaustrittsfenster dicker auszugestalten. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene durchströmbare Struktur ermöglicht überdies eine effektive Kühlung des Röntgenaustrittsfensters. Damit kann insgesamt die Festigkeit des Röntgenaustrittsfensters deutlich gesteigert werden. Das wiederum ermöglicht einen Betrieb des Drehkolbenstrahlers bei weiter ge steigerten Drehzahlen und damit eine Belastbarkeit der Drehkolbenröhre.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse eine innere und eine damit fest verbundene äußere Hülle auf, wobei zwischen der inneren und der äußeren Hülle ein Zwischenraum zum Durchführen von Kühlflüssigkeit gebildet ist. Die Kühlflüssigkeit wird in diesem Fall also mit derselben Drehzahl wie das Gehäuse rotiert. Das ermöglicht eine exakte Zwangsführung der Kühlflüssigkeit und damit eine besonders effektive Kühlung. Im Vergleich zu Drehkolbenröhren, bei denen die innere Hülle nicht drehfest mit der äußeren Hülle verbunden ist, wird eine dabei auftretende unerwünschte Reibung zwischen der Kühlflüssigkeit und der inneren Hülle vermieden. Die vorgeschlagene Drehkolbenröhre kann mit einer vergleichsweise geringen Antriebsleistung rotiert werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Röntgenaustrittsfenster an einer durch die äußere Hülle gebildeten Außenseite des Gehäuses eine für die Kühlflüssigkeit undurchdringbare Wand aufweist. Das ermöglicht eine durch die äußere Hülle begrenzte flüssigkeitsdichte Konstruktion. Es ist in diesem Fall nicht erforderlich, dass die äußere Hülle von einem weiteren Gehäuse zur Aufnahme von durch das Röntgenaustrittsfenster austretender Kühlflüssigkeit vorgesehen ist.

Das Röntgenaustrittsfenster erstreckt sich zweckmäßigerweise von der äußeren Hülle radial nach innen in den Zwischenraum. Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich das Röntgenaustrittsfenster von der äußeren Hülle über den Zwischenraum hinweg bis zur inneren Hülle und ist kraftschlüssig mit der inneren Hülle verbunden. Damit kann eine mechanisch besonders stabile Ausgestaltung des Röntgenaustrittsfensters erreicht werden. Die vorgeschlagene Ausgestaltung ermöglicht eine besonders hohe Belastbarkeit der Drehkolbenröhre.

Zweckmäßigerweise ist der Zwischenraum mit der durchströmbaren Struktur verbunden. Damit ist es ohne weiteres möglich, eine im Zwischenraum strömende Kühlflüssigkeit durch die Struktur hindurchzuführen. Es ist keine besondere Einrichtung zur Versorgung der durchströmbaren Struktur mit Kühlflüssigkeit erforderlich. Die durchströmbare Struktur kann unmittelbar vom Zwischenraum aus mit Kühlflüssigkeit versorgt und aus der durchströmbaren Struktur austretende Kühlflüssigkeit kann dem Zwischenraum wieder zugeführt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die Struktur aus festen Strukturelementen und dazwischen befindlichen Hohlräumen gebildet sein. Die festen Strukturelemente sind für Röntgenstrahlung im Wesentlichen transparent. Im Vergleich zu den dazwischen liegenden Hohlräumen weisen sie allerdings eine etwas geringere Transparenz auf. Jedes der Strukturelemente erstreckt sich über einen vorgegebenen radialen Abschnitt des Röntgenfensters. Dabei sind die Strukturelemente in Umfangsrichtung des Gehäuses zweckmäßigerweise regelmäßig angeordnet. In diesem Fall ist ein Strukturelement durch eine in Umfangsrichtung wiederkehrende Geometrie gegebenen, welche insbesondere durch die Anordnung der Hohlräume sich ergibt. Bei einer regelmäßigen Anordnung der Strukturelemente und der Hohlräume in Umfangsrichtung kann eine die Bilderzeugung störende Modulation der aus dem Röntgenaustrittsfenster austretenden Röntgenstrahlung vermieden werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Anzahl N der Absorberelemente so gewählt ist, dass die folgende Beziehung gilt: T/N << 1/f,wobei T eine Rotationsdauer für eine Umdrehung des Drehkolbens,
N die Anzahl der Strukturelemente pro Umlauf und
f eine Bilddatenausleserate sind.

Bei einer regelmäßigen bzw. periodischen Anordnung der Strukturelemente unter Beachtung der obigen Beziehung wird gewährleistet, dass die Struktur die Bilderzeugung nicht stört.

Nach einer besonders einfachen Ausgestaltung ist die Struktur aus einem einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen oder schaumartig ausgebildeten Material gebildet. Dabei wird insbesondere ein Material gewählt, welches für Röntgenstrahlen im Wesentlichen transparent ist. Die vorgeschlagene aus einem porösen oder schaumartigen Material hergestellte Struktur ist besonders fest und ermöglicht gleichzeitig eine hervorragende Kühlung des Röntgenaustrittsfensters. Bei dem Material kann es sich um ein Metall, z. B. Aluminium, Magnesium, Titan, eine Keramik oder Glas handeln.

Nach einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Struktur eine Vielzahl von Kanälen. Dabei können die Kanäle im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse des Gehäuses angeordnet sein. Das Vorsehen der vorgeschlagenen Kanäle lässt sich insbesondere bei einem aus Metall hergestellten Röntgenaustrittsfenster relativ einfach realisieren.

Das Röntgenaustrittsfenster bildet vorteilhafterweise einen ringartigen Abschnitt des Gehäuses. Damit kann der Herstellungsaufwand vermindert werden.

Das Röntgenaustrittsfenster kann aus einem der folgenden Materialien hergestellt sein: SiSiC, SSiC, LP:SiC, Al, Mg, Ti, SiC, Al₂O₃, AlN, Si₃N₄.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Teilschnittansicht einer Drehkolbenröhre,
2 einen senkrecht zur Achse der Drehkolbenröhre verlaufenden Teilschnitt durch ein erstes Röntgenaustrittsfenster und
3 einen senkrecht zur Achse der Drehkolbenröhre verlaufenden Teilschnitt durch ein zweites Röntgenaustrittsfenster.
Bei der in 1 gezeigten Drehkolbenröhre umfasst ein Gehäuse 1 eine vakuumdichte innere Hülle 2 und eine die innere Hülle 2 unter Ausbildung eines Zwischenraums 3 umgebende äußere Hülle 4. Mit den im Zwischenraum 3 gezeigten Pfeilen ist die Richtung der Strömung einer im Zwischenraum 3 aufgenommenen Kühlflüssigkeit angedeutet. Die innere Hülle 2 und die äußere Hülle 4 sind mittels (hier nicht gezeigter) Verbindungsmittel fest miteinander verbunden, so dass bei einer Drehung der äußeren Hülle 4 die innere Hülle 2 und die im Zwischenraum 3 aufgenommene Kühlflüssigkeit mit derselben Geschwindigkeit rotiert werden. Mit dem Bezugszeichen 5 ist eine Anode bezeichnet, welche fest mit der inneren Hülle 2 verbunden oder Bestandteil derselben ist. Ein von der Anode 5 abgestrahltes Röntgenstrahlenbündel 6 durchdringt das Gehäuse 1 im Bereich eines Röntgenaustrittsfensters 7. Mit dem Bezugszeichen A ist eine Achse der Drehkolbenröhre bezeichnet.
2 zeigt einen teilweisen Schnitt senkrecht zur Achse A im Bereich des Röntgenaustrittsfensters 7. Eine beispielsweise aus Aluminium hergestellte Struktur 8 erstreckt sich von der äußeren Hülle 4 über den Zwischenraum 3 hinweg zur inneren Hülle 2. Die Struktur 8 weist parallel zur Achse A verlaufende Kanäle 9 auf, welche regelmäßig angeordnet sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist jeder der Kanäle 9 vier benachbarte Kanäle 9 auf. Die Kanäle 9 weisen jeweils einen Radius r auf. Ein Abstand Ab zwischen den Kanälen 9 ist vorzugsweise so gewählt, dass er das 1,4- bis 2-fache, vorzugsweise das 1,5- bis 1,8-fache, des Radius r beträgt.
Die Struktur 8 ist kraftschlüssig mit der äußeren 4 und der inneren Hülle 2 verbunden. Z. B. kann die Struktur 8 einen sich über die axiale Länge des Röntgenaustrittsfensters 7 erstreckenden Ring bilden, welcher in einstückiger Ausbildung mit einem Abschnitt der äußeren Hülle 4 und der inneren Hülle 2 hergestellt ist. Es kann aber auch sein, dass die Struktur 8 in den zwischen der äußeren Hülle 4 und der inneren Hülle 2 gebildeten Zwischenraum 3 eingesetzt und mit der äußeren Hülle 4 und der inneren Hülle 2 beispielsweise mittels Schweißen, Löten oder dgl. kraftschlüssig verbunden ist.
3 zeigt wiederum eine senkrecht zur Achse A verlaufende Teilquerschnittsansicht durch das Röntgenaustrittsfenster 7. In diesem Fall ist die Struktur 8 durch ein Sintermetall gebildet, welches einen kommunizierenden Porenraum aufweist. Unter einem "kommunizierenden Porenraum" wird ein Porenraum verstanden, welcher mit einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist. Anstelle eines Sintermetalls kann hier auch eine offenporige Keramik, ein Metallschaum oder dgl. Verwendung finden.
Die Struktur 8 bildet zweckmäßigerweise ein regelmäßiges Muster aus Strukturelementen und Hohlräumen 9. Ein solches regelmäßiges Muster ist beispielsweise in 2 gezeigt. Dabei entsprechen die Strukturelemente jeweils den mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten radialen Abschnitten der Struktur 8. Die Anzahl N der Strukturelemente 10 bzw. deren Größe ergibt sich vorzugsweise aus der bereits erläuterten Beziehung, welche insbesondere von der Rotationsdauer T für eine Umdrehung des Drehkolbens sowie der Bilddatenausleserate f abhängt.
Wie aus 2 ersichtlich ist, sind eine radial innen liegende und eine radial außen liegende Reihe von Kanälen 9 vorgesehen, welche jeweils um den halben Abstand Ab zwischen zwei einander benachbarten Bohrungen gegeneinander versetzt sind. Es ergibt sich damit für eine das Röntgenaustrittsfenster 7 durchstrahlende Röntgenstrahlung eine nur in einem geringen Maße bedingte periodische Abschwächung.
Mit dem vorgeschlagenen Röntgenaustrittsfenster 7 gelingt es auf einfache Weise, die sich bei einer schnellen Rotation ausbildenden Druckkräfte innerhalb des Röntgenaustrittsfensters 7 zu kompensieren. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass das Volumen der Kanäle 9 bzw. der Hohlräume etwa gleich dem Volumen der die Kanäle 9 bzw. die Hohlräume umgebenden Strukturelementen 10 ist.

Claims

Drehkolbenröhre mit einem Gehäuse (1), welches ein für Röntgenstrahlung im Wesentlichen transparentes Röntgenaustrittsfenster (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Röntgenaustrittsfenster (7) in seinem Inneren eine für eine Kühlflüssigkeit durchströmbare Struktur (8) aufweist.
Drehkolbenröhre nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (1) eine innere (2) und eine damit fest verbundene äußere Hülle (4) aufweist, wobei zwischen der inneren (2) und der äußeren Hülle (4) ein Zwischenraum (3) zum Durchführen von Kühlflüssigkeit gebildet ist.
Drehkolbenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Röntgenaustrittsfenster (7) an einer durch die äußere Hülle (4) gebildeten Außenseite des Gehäuses (1) eine für die Kühlflüssigkeit undurchdringbare Wand aufweist.
Drehkolbenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Röntgenaustrittsfenster (7) sich von der äußeren Hülle (4) radial nach innen in den Zwischenraum (3) erstreckt.
Drehkolbenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Röntgenaustrittsfenster (7) sich von der äußeren Hülle (4) über den Zwischenraum (3) hinweg bis zur inneren Hülle (2) erstreckt und kraftschlüssig mit der inneren Hülle (2) verbunden ist.
Drehkolbenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zwischenraum (3) mit der durchströmbaren Struktur (8, 9) verbunden ist.
Drehkolbenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur (8) aus festen Strukturelementen (10) und dazwischen befindlichen Hohlräumen (9) gebildet ist.
Drehkolbenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturelemente (10) in Umfangsrichtung des Gehäuses (1) regelmäßig angeordnet sind.
Drehkolbenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl N der Strukturelemente (10) so gewählt ist, dass die folgenden Beziehung gilt: T/N << 1/f,wobei T eine Rotationsdauer für eine Umdrehung des Drehkolbens, N die Anzahl der Strukturelemente pro Umlauf und f eine Bilddatenausleserate sind.
Drehkolbenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur (8) aus einem, einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen oder schaumartig ausgebildeten Material gebildet ist.
Drehkolbenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die HohlräumeKanäle (9) sind.
Drehkolbenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kanäle (9) im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse (A) des Gehäuses (1) angeordnet sind.
Drehkolbenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Röntgenaustrittsfenster (7) einen ringartigen Abschnitt des Gehäuses (1) bildet.
Drehkolbenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Röntgenaustrittsfenster (7) aus einem der folgenden Materialien hergestellt ist: SiSiC, SSiC, LP:SiC, Al, Mg, Ti, SiC, Al₂O₃, AlN, Si₃N₄.