DE10325463A1

DE10325463A1 - Drehkolbenröhre für einen Röntgenstrahler

Info

Publication number: DE10325463A1
Application number: DE10325463A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr. Lenz; Peter Rother; Peter Dr. Schardt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2005-01-05
Also published as: US7103146B2; US20040258208A1

Abstract

Es wird eine Drehkolbenröhre für einen Röntgenstrahler vorgestellt, bei der das eine Anode (5) und eine Kathode (4) aufnehmende, in Rotation versetzbare Vakuumgehäuse (2) ein 360°-Rundum-Strahlenaustrittsfenster (12) aufweist. Zur Optimierung des Strahlenaustrittsfensters (12) ist dieses aus einem der nachfolgend angeführten Werkstoffe ausgeführt:
- aus einem hochwarmfesten Stahl oder einer hochwarmfesten Chrom- und/oder Nickel-Legierung, aufgeführt in der Norm EN 10273 und EN 10302, in einer Wandstärke zwischen 0,1 bis 0,4 mm,
- aus einem Titanwerkstoff in einer Wandstärke zwischen 0,2 bis 2 mm,
- aus einem Keramikwerkstoff in einer Wandstärke zwischen 1 mm und 5 mm.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkolbenröhre für einen Röntgenstrahler, entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Röntgenstrahler die mit Drehkolbenröhren ausgestattet sind, weisen in der Regel ein im Strahlergehäuse rotierbar gelagertes Vakuumgehäuse auf, in welchem längs einer gemeinsamen Drehachse einerseits eine Kathodenanordnung und andererseits eine Anode angeordnet sind. Das Vakuumgehäuse ist bei den bekannten Drehkolbenröhren meist kolbenartig ausgebildet, mit einem zylindrischen und einen sich daran anschließenden, zur Anode hin sich erweiternden kegelstumpfförmigen Abschnitt. Um den zylindrischen Abschnitt herum befindet sich außerhalb des Vakuumgehäuses eine Einrichtung zur Ablenkung und Fokussierung des von der Kathode erzeugten Elektronenstrahles auf den Auftreffbereich der Anode. Die besagte Einrichtung ist bezüglich des rotierenden Vakuumgehäuses feststehend, so dass der Elektronenstrahl immer in die gleiche Richtung abgelenkt wird und so stets auf den Auftreffbereich der rotierenden Anode auftrifft. Mit Hilfe der Einrichtung lässt sich der Elektronenstrahl auf einen beispielsweise strichförmigen Brennfleck fokussierend einstellen.

Drehkolbenröhren dieser Gattung sind beispielsweise in DE 196 31 899 A1 , DE 197 41 750 A1 und DE 198 10 346 C1 beschrieben.

Damit ein gezielter Austritt der Röntgenstrahlen aus dem Strahlergehäuse bei Rotation des Vakuumgehäuses erzielt wird, muss bei solchen Drehkolbenröhren das Strahlenaustrittsfenster im Vakuumgehäuse zwangsläufig als 360°-Rundum-Fenster ausgebildet sein. Ferner muss, damit die Elektronenablenkung funktioniert, der Hauptteil des Vakuumgehäuses, also der ke gelstumpfförmige Abschnitt des Vakuumgehäuses, aus einem nicht magnetisierbaren Material bestehen.

Bei den bekannten Ausführungen hat man das Vakuumgehäuse aus einem nicht magnetisierbaren, vakuumfesten Stahlblech (z. B. aus einem Werkstoff mit der Werkstoff Norm Nr. WN 1.4301) gefertigt. Die Wandstärke des Vakuumgehäuses beträgt bei diesen Ausführungen etwa 2 mm, wobei man im Bereich des Austrittsfensters aus Gründen der Festigkeit meist die gleiche oder nur eine geringfügig geringere Wandstärke vorsieht. Das Austrittsfenster bei diesem Material wesentlich schwächer als 0,5 mm zu dimensionieren, um so die Strahlungsverluste reduzieren zu können, ist wegen der mechanischen Beanspruchung der Röhre (die Röhre rotiert mit bis zu ca. 9000 Upm im Betrieb) aus Gründen der Festigkeit und auch wegen der Gefahr eines Verzugs beim Ausheizen der Röhre bei den bisher verwendeten Materialien nicht möglich.

Des weiteren wurden bisher auch keine Maßnahmen zur besseren, d.h. fertigungstechnisch wie wartungstechnisch effizienteren Gestaltung des Strahlenaustrittsfensters getroffen, was letztlich bedeutete, dass bei einem durch den Elektronenbeschuss bedingten Verschleiß des Fensters die gesamte Röhre ausgewechselt werden musste.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Drehkolbenröhre für einen Röntgenstrahler der eingangs genannten Art anzugeben. Die Drehkolbenröhre soll gegenüber den bekannten Ausführungen vornehmlich im Bereich des Strahlenaustritts am Vakuumgehäuse verbessert und dort hinsichtlich der Strahlungsverluste optimiert werden. Des weiteren soll hinsichtlich der Herstellung der Röhre und des Services im Falle eines Verschleißes des Strahlenaustrittsfensters eine Verbesserung geschaffen werden.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebene Auswahl von Materialien und Wandstärken zur Herstellung zumindest des Strahlenaustrittsfensters, in Weiterbildung auch des gesamten Vakuumgehäuses, gelöst.

Die in Frage kommenden Stähle und Chrom- (Cr) sowie Nickel- (Ni) Legierungen sind unter der Norm EN 10302 und EN 10273 aufgeführt und sind nach dem Stahlschlüssel mit einer Werkstoff Nummer (WN) gekennzeichnet.

Besonders geeignete und bevorzugt einsetzbare Werkstoffe sind beispielsweise die mit WN 1.4903, WN 1.4922, WN 1.4539, oder WN 1. 7701 gekennzeichneten Werkstoffe.

Bei Verwendung eines Stahles, z. B. eines Stahles mit der Werkstoff Nummer WN 1.4903, kann das Strahlenaustrittsfenster mit einer sehr dünnen Wandstärke von 0,2 mm gefertigt werden. Eine solche Ausführung kann als optimal und besonders vorteilhaft angesehen werden, weil mit dieser Konzeption unter der Belastung, der die Röhre im Betrieb ausgesetzt ist, ein noch akzeptabler Rundlauf der Röhre von 0,05 mm erzielt werden kann.

Bei Röhren, die erhöhten Belastungen ausgesetzt sind, ist es vorteilhaft, für den Fensterbereich und das Austrittsfenster hochwarmfeste Stähle wie z. B. WN 1.4922 oder 1.4903 zu verwenden.

Bei Verwendung von hochwarmfesten Stählen und hochwarmfesten Cr- und Ni-Legierungen, sowie bei Titan-Werkstoffen, soweit sie nicht magnetisierbar sind, kann man auch so vorgehen, dass Strahlenaustrittsfenster und Vakuumgehäuse einteilig ausgebildet werden. Die Verwendung eines austenitischen Edelstahles, vorzugsweise eines mit der Werkstoff Nummer WN 1.4539, hat sich für eine solche einteilige Version als besonders vorteilhaft gezeigt.

Neben reinem Titan (Ti) können mit Vorteil auch hochwarmfeste Ti-Legierungen, z.B. TiAlV64, eingesetzt werden. Mit solchen Materialien lassen sich ähnlich dünne Wandstärken für den Fensterbereich bzw. das Vakuumgehäuse erzielen, weil Titan an sich mechanisch ausreichend stabil ist, gewisse strahlungsschwächende Eigenschaften besitzt, keinen Restmagnetismus hat und eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt.

Bei Anwendung von Keramik Werkstoffen hat sich Al₂O₃ als besonders vorteilhaft gezeigt. Dieser Keramikwerkstoff hat ausreichende Festigkeit, ist vergleichsweise preiswert und einfach zu löten.

In Hinblick auf evtl. auftretende Reparaturen bei einem Verschleiß des Strahlenaustrittsfensters kann es vorteilhaft sein, das Strahlenaustrittsfenster als separates Bauteil in Form eines an das Vakuumgehäuse angeschweißten Ringes, in dem die Fensterkontur eingearbeitet ist, auszubilden. Bei einem Ausfall der Röhre braucht dann lediglich der Ring ausgetauscht zu werden. Das Bauteil kann als mit dem Vakuumgehäuse einerseits und mit dem Anodenteller andererseits verbindbares Fenstermodul ausgebildet sein, welches aus zwei ringförmigen Tragteilen aus unmagnetischem Edelstahl und einem dazwischen angeordneten Ring aus Titan besteht. Der Ring kann aus einem vorzugsweise im Zieh- oder Drückverfahren hergestelltes, mit den ringförmigen Tragteilen verschweißten oder verlöteten Titanblech gebildet werden. Alternativ kann der Ring auch aus einem entsprechend dimensionierten Rohr heraus gearbeitet sein.

Weitere Vorteile sind aus den Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zu entnehmen. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Ausführung einer Drehkolbenröhre nach der Erfindung im Längsschnitt,
2 einen Teil eines Fensterringes im Schnitt,
3 einen Ausschnitt aus 2, vergrößert dargestellt, und
4 den in 3 gezeigten Ring als Rohling.
Die 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Ausführungsform einer Drehkolbenröhre nach der Erfindung im Längsschnitt.
Die Drehkolbenröhre ist in bekannter Weise in einem in der Figur nicht dargestellten Strahlergehäuse drehbar gelagert. Hierzu sind beidseitig der Drehkolbenröhre entsprechende Lager 1 vorhanden. Um die Drehkolbenröhre in Rotation zu versetzen, ist an geeigneter Stelle ein entsprechend ausgebildeter Antrieb vorhanden. Nachdem diese Teile aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird davon abgesehen, diese darzustellen und näher zu beschreiben.
Die Drehkolbenröhre weist in der gezeigten Ausführungsform ein als Doppelkegel ausgebildetes Vakuumgehäuse 2 auf, in welchem längs einer gemeinsamen Drehachse 3 einerseits eine Kathodenanordnung 4 und andererseits eine Anode 5 angeordnet sind. Das Vakuumgehäuse 2 ist kolbenartig ausgebildet und weist etwa in der Mitte einen zylindrischen Abschnitt 6 und beidseitig sich daran anschließende kegelstumpfförmige Abschnitte 7, 8 auf. Am Ende des kegelstumpfförmigen Abschnittes 7 befindet sich die Kathodenanordnung 4 mit einem Flachemitter 9 und am Ende des anderen Abschnittes 8 die Anode 5 mit einem Anodenteller 10. Um den mittig gelegenen zylindrischen Abschnitt 6 befindet sich außerhalb des Vakuumgehäuses 2 eine Einrichtung 11 die dazu dient, den Elektronenstrahl abzulenken und auf den Auftreffbereich des Anodentellers 10 zu fokussieren (siehe Pfeil). Die genannte Einrichtung 11 ist bezüglich des rotierenden Vakuumgehäuses 2 feststehend, so dass der Elektronenstrahl immer in die gleiche Richtung abgelenkt und stets auf den Auftreffbereich des rotierenden Anodentellers 10 auftrifft. Mit der Einrichtung kann der Elektronenstrahl auf einen strichförmigen Brennfleck eingestellt werden.
Mit 12 ist das Strahlenaustrittsfenster bezeichnet, welches im folgenden noch näher erläutert wird. Das Strahlenaustrittsfenster 12 ist in der gezeigten Ausführung ein separates, ringförmig ausgebildetes Bauteil, welches einerseits mit dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 8 des Vakuumgehäuses 2 und andererseits mit einem am Anodenteller 10 angelöteten Pufferteil 13 verbunden ist. Das Pufferteil 13 dient dazu, evtl., aufgrund der Wärmeentwicklung im Anodenbereich auftretende Dehnungen aufzufangen. Die Verbindung mit dem Strahlenaustrittsfenster 12 erfolgt durch Schweißen.
Das Strahlenaustrittsfenster 12 ist als 360°-Rundum-Teil ausgebildet und muss, da es Teil der Vakuumhülle ist, entsprechend stabil sein.
Wie aus 2 ersichtlich, besteht das Strahlenaustrittsfenster 12 aus einem ringförmigen Bauteil 14 mit eingearbeiteter Fensterkontur 15. Aus 3, die den in 2 strichpunktiert markierten Ausschnitt vergrößert wiedergibt, ist ersichtlich, dass die Fensterkontur 15 durch einen beidseitig von ringförmigen Tragteilen 16a, 16b, befestigten dünnen Ring 17 gebildet ist. 4 zeigt die Teile im Rohzustand. Der Ring 17 ist zwischen den beiden Tragteilen 16a, 16b eingelötet oder eingeschweißt. Zur Komplettierung wird der Rohling auf die entsprechend vorgesehenen Endmaße überdreht.
Der Ring 17 kann, bei Verwendung eines der eingangs genannten hochwarmfesten Materialien eine Wandstärke von vorzugsweise 0,2 mm aufweisen.
Als weitere Materialien für das Strahlenaustrittsfenster 12 kommen die bereits erwähnten, in EN 10273 und EN 10302 aufgeführten Chromstähle sowie Edelstähle und Cr- und Ni-Legierungen, sowie Titan und Titanlegierungen in Frage.
Der Ring kann vorteilhafterweise ein Tiefzieh- oder Drückteil aus geeignetem Material, z. B. aus einem dünnen Titanblech, sein, oder auch aus einem Rohr mit den entsprechenden Maßen erstellt werden.
Alternativ zu den beschriebenen Versionen kann das Strahlenaustrittsfenster 12 auch komplett einteilig ausgeführt sein. In diesem Fall kann das gesamte Fenster aus einem Tiefzieh- oder Drückteil gebildet werden, welches mit dem Vakuumgehäuse und dem Anodenteller bzw. dem dazwischen angeordneten Pufferteil verschweißt wird.
Das Strahlenaustrittsfenster 12 kann, als eine weitere Alternative zu den beschriebenen Versionen, auch als ein Teil zusammen mit den Teilen der Vakuumhülle 6, 7, 8 ausgeführt sein. Als Werkstoffe kommen die oben genannten Materialien in Frage, mit Ausnahme der ferritischen Stähle.

Claims

Drehkolbenröhre für einen Röntgenstrahler mit einem in Rotation versetzbaren, eine Anode (5) und eine Kathode (4) aufnehmenden Vakuumgehäuse (2), welches zumindest zur Anode (5) hin kegelstumpfförmig sich erweiternd ausgebildet und am erweiterten Ende ein mit dem Anodenteller (10) der Anode (5) verbundenes, 360°-Rundum-Strahlenaustrittsfenster (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Strahlenaustrittsfenster (12) aus einem der nachfolgend angeführten Werkstoffe ausgeführt ist: – aus einem hochwarmfesten Stahl oder einer hochwarmfesten Chrom- und/oder Nickel-Legierung, aufgeführt in der Norm EN 10273 und EN 10302, in einer Wandstärke zwischen 0,1 bis 0, 4 mm, – aus einem Titanwerkstoff in einer Wandstärke zwischen 0,2 bis 2 mm, – aus einem Keramikwerkstoff in einer Wandstärke zwischen 1 mm und 5 mm.
Röntgenstrahler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung eines hochwarmfesten Stahles das Strahlenaustrittsfenster (12) mit einer Wandstärke von 0,2 mm ausgeführt ist.
Röntgenstrahler nach Patentanspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, dass bei Anwendung eines hochwarmfesten Stahles das Strahlenaustrittsfenster (12) aus Chromstahl, aufgeführt in der Norm EN 10273, gefertigt ist.
Röntgenstrahler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung eines Titanwerkstoffes das Strahlenaustrittsfenster (12) mit einer Wandstärke von 0,6 mm ausgeführt ist.
Röntgenstrahler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung eines Keramikwerkstoffes das Strahlenaustrittsfenster (12) mit einer Wandstärke von 3 mm ausgeführt ist.
Röntgenstrahler nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenaustrittsfenster (12) als separates Teil ausgeführt und mit dem Vakuumgehäuse (2) mit Hilfe eines Vakuumhartlotes verbunden ist.
Röntgenstrahler nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenaustrittsfenster (12) als separates Teil ausgeführt und mit dem Vakuumgehäuse (2) mit Hilfe eines dehn- bzw. verformbaren Aktivlotes verbunden ist.
Röntgenstrahler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines hochwarmfesten Stahles oder eines Titanwerkstoffes das Strahlenaustrittsfenster (12) und das Vakuumgehäuse (2) einteilig ausgebildet sind.
Röntgenstrahler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenaustrittsfenster (12) als mit dem Vakuumgehäuse (2) einerseits und mit dem Anodenteller (10) andererseits verbindbares Fenstermodul ausgebildet ist.
Röntgenstrahler nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenstermodul aus einem Ring (17) aus einem Titanwerkstoff und beidseitig des Ringes (17) angeordneten Tragteilen (16a, 16b) aus unmagnetischem Edelstahl besteht.
Röntgenstrahler nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (17) aus einem im Zieh- oder Drückverfahren hergestellten, mit den Tragteilen (16a, 16b) durch Löten oder Schweißen verbundenen Blech aus Titan oder einer Titanlegierung gebildet ist.
Röntgenstrahler nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (17) aus einem Rohr gebildet ist.
Röntgenstrahler nach einem der Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Strahlenaustrittsfenster (12) und Anodenteller (10) ein Dehnungskompensationselement (13) angeordnet ist.
Röntgenstrahler nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumgehäuse (2) als Doppelkegel (6, 7, 8)) ausgebildet ist.