DE19523892A1 - Rotor für den Antrieb der Targetelektrode einer Röntgenröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für den Antrieb einer Drehanode einer Röntgenröhre und insbesondere auf den Rotor eines elektrischen Induktionsmotors in der Röhre, auf dem eine scheibenförmige Auftreff- bzw. Target­ anode für eine Rotationsbewegung montiert ist.

Gewöhnlich enthält eine ein Röntgenstrahlbündel er­ zeugende Vorrichtung, im folgenden als Röntgenröhre be­ zeichnet, zwei in einer evakuierten Kammer oder Röhre beab­ standet angeordnete Elektroden eines elektrischen Schalt­ kreises. Eine der Elektroden ist eine Glühemitterkathode, die innerhalb der Röhre in einem Abstand von einer Auftreff­ elektrode beziehungsweise Anode angebracht ist. Die Ka­ thode wird über eine elektrische Widerstandsheizung aufge­ heizt, um einen Strom von auf die Anode gerichteten Elek­ tronen zu erzeugen. Der Elektronenstrom wird in zweckmäßi­ ger Weise zu einem schmalen Bündel von Elektronen fokus­ siert, die mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Target beziehungsweise die Anode aufprallen. Die Anode weist eine Aufpralloberfläche aus einem vorbestimmten Material (gewöhnlich aus einem hochwarmfesten Metall) auf, so daß die kinetische Energie der auf die Anode auftreffenden Elektronen umgewandelt wird in elektromagnetische Wellen sehr hoher Frequenz, das heißt Röntgenstrahlen, die von der Anode ausgehend in geeigneter Weise kollimiert und fokus­ siert werden, um zur Analyse des inneren Aufbaus oder im Rahmen einer Untersuchung in ein Objekt einzudringen, bei­ spielsweise im Rahmen einer humanmedizinischen Diagnosemaß­ nahme. Der mit hoher Geschwindigkeit auf die Anodenoberflä­ che auftreffende Elektronenstrahl erzeugt extrem hohe und lokalisierte Temperaturen, die schädlich für das Anodenma­ terial und seine Struktur sind. Infolgedessen ist es üblich geworden, eine tellerförmige Drehanode zu verwenden. Bei einer solchen Drehanode ändert sich der Auftreffbereich der Elektronen (Brennfleck) auf der Anode ständig, wodurch eine örtliche Hitzekonzentration vermieden und eine bessere Ver­ teilung der Wärmeeffekte über die Anodenstruktur erreicht wird. Drehgeschwindigkeiten der Anode über 10000 Umdrehun­ gen pro Minute hinaus sind nicht ungewöhnlich.

Ein Ausführungsbeispiel für den Antrieb einer Dreh­ anode einer Röntgenröhre sieht vor, daß man den Anker oder Rotor eines elektrischen Induktionsmotors zur koaxialen Drehbewegung in einem eingeschnürten Abschnitt einer evaku­ ierten Röntgenröhre aus Glas anordnet. Die elektrische Feldwicklung des Motors umschließt in engem Abstand und ko­ axial den eingeschnürten Abschnitt der Röhre, um entspre­ chend den hinreichend bekannten Motorgrundsätzen zur Erzeu­ gung einer Rotationsbewegung des Rotors auf den konzentri­ schen Rotor einzuwirken. Die Auftreffscheibe beziehungs­ weise Anode ist ihrerseits koaxial auf dem Rotor montiert, so daß sie zur Glühkathode exponiert ist.

Höhere Anforderungen im Hinblick auf die Erzeugung von Röntgenstrahlen mit daraus resultierenden größeren Röntgenröhren und größeren Targets bzw. Anoden haben zu ei­ nem Bedarf für einen leistungsfähigeren elektrischen Motor­ antrieb für ein erhöhtes Anlauf- und Betriebsmoment der An­ ode geführt.

Es ist demzufolge eine Aufgabe dieser Erfindung, einen verbesserten Rotor eines elektrischen Induktionsmo­ tors zum Antrieb von Drehanoden in Röntgenröhren anzugeben.

Zusammengefaßt weist nach der Erfindung die Ro­ torstruktur eines Induktionsmotors eine konzentrische Sta­ pelanordnung von hochmagnetischen sehr dünnen kreisförmigen Scheiben auf einem Träger in Form eines Hohlzylinders auf. Jede dieser Scheiben trägt eine Reihe von offenen kreisför­ migen Löchern an seinem Umfang, wobei der offene Teil des Kreises am Umfang liegt, so daß bei einer Anordnung der Scheiben auf dem Träger mit zueinander ausgerichteten Öff­ nungen die Stapelanordnung eine über den Umfang angeordnete Reihe von longitudinalen und koaxialen Nuten bzw. Schlitzen definiert. Goldplattierte Abschlußringplatten mit dicker Wandstärke und ebenfalls einer über den Umfang angeordneten Reihe von Öffnungen an ihrer Peripherie werden an jedem Ende der Stapelanordnung von Blechen (Laminationen) auf dem Träger eben anliegend an die Stapelanordnung von Blechen angebracht, wobei die Öffnungen der Ringplatte jeweils mit denen in den Blechen fluchten. In die Öffnungen der Ring­ platten werden goldplattierte Kupferstangen oder -stäbe eingeführt und erstrecken sich durch die axialen Längs­ schlitze in dem Blechpaket von Blechen. Die derart zusam­ mengefügte Struktur wird in einen Vakuumofen eingebracht, um ein Aufschmelzen der Goldplattierung und eine Golddiffu­ sionsverbindung der montierten Rotorstruktur des Elektromo­ tors zu einem einheitlichen Gebilde zu bewerkstelligen.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung im fol­ genden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen und der Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer Röntgen­ röhre mit einem montierten Rotor und einer angetriebenen Drehanode;

Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Rotorstruktur für eine Drehanode nach der vorliegen­ den Erfindung;

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung des einge­ schnürten Bereichs einer größeren Röntgenröhre mit einem darin angeordneten Rotor nach dieser Erfindung.

Die Bauteile einer Röntgenröhre und ihre Anordnung lassen sich am besten unter Bezugnahme auf Fig. 1 be­ schreiben.

In Fig. 1 weist die Röntgenröhre 10 eine evaku­ ierte Glasröhre 11 mit einem vergrößerten Abschnitt 12 und einem eingeschnürten Abschnitt 13 auf. Innerhalb des einge­ schnürten Abschnitts 13 ist ein Rotor 14 eines elektrischen Motors in einer Lagervorrichtung 15 zur koaxialen Rotation im Abschnitt 13 angeordnet. Eine (nicht dargestellte) Sta­ tor- oder Feldwicklung für den Elektromotor umgibt koaxial den eingeschnürten Bereich 13 sowie den Rotor 14 in der da­ für üblichen Weise, so daß eine elektrische Energiezufüh­ rung an die Feldwicklungen den Rotor 14 zu einer Drehbewe­ gung als Läufer eines Induktionsmotors veranlaßt. In den vergrößerten Abschnitt 12 der Röhre 11 erstreckt sich eine Welle 16 hinein mit eine auf der Welle 16 zur Rotation da­ mit montierten Aufprallanode 17. In einem axialen Abstand von der Anode 17 ist eine Glühkathode 18 zusammen mit den entsprechenden mit 19 bezeichneten elektrischen Verbindun­ gen zum elektrischen Anschluß an eine (nicht dargestellte) Stromquelle angeordnet. In der für eine Röntgenstrahlerzeu­ gung üblichen Weise bewirkt die Energiezufuhr zur Kathode 18 zusammen mit einer gewöhnlich vorgesehenen Elektronen- Fokussiereinrichtung, daß ein Strom oder Bündel von Elek­ tronen mit hoher Geschwindigkeit auf die Anode 17 prallt. In diesem Zusammenhang ist eine Drehbewegung der Anode 17 von außerordentlicher Bedeutung, um die sehr hohen durch das Aufprallen der Elektronen auf die Anode erzeugten Tem­ peraturen besser zu verkraften. Größere Anoden mit höherer Masse erfordern eine zusätzliche Drehmomentbildung vom Ro­ tor 14, um in optimaler Zeit die gewünschte Drehgeschwin­ digkeit zu erreichen und aufrechtzuerhalten.

Ein stark verbesserter Rotor mit hohem Drehmoment für größere Röntgenröhrenanwendungen ist in Fig. 2 darge­ stellt.

In Fig. 2 weist der Rotor 20 für ein hohes Drehmo­ ment eine Grundstruktur aus einem metallischen Träger 21 in Form eines Hohlzylinders auf. Konzentrisch auf dem Träger 21 sind mehrere hochmagnetische dünne kreisförmige Bleche 22 in einer Stapelanordnung zwischen einem Paar von ring­ förmigen Abschlußplatten oder -ringen 23 auf dem Träger 21 angrenzend an die Stapelanordnung von Blechen 22 montiert. Jede Abschlußplatte 23 enthält einen Ring von nahe am Rin­ gumfang liegenden Öffnungen 24. Jedes Blech (Lamination) enthält ebenfalls eine übereinstimmende Reihe ähnlicher Öffnungen wie die in den Ringen 23, wobei die Öffnungen in den jeweiligen Blechen bei einer Stapelanordnung der Bleche mit entsprechender gegenseitiger Ausrichtung einen kreis­ förmigen Kanal 25 definieren, der sich koaxial durch die Abschlußplatten 23 und die Stapelanordnung hindurch er­ streckt.

Die Bleche 22 werden aus einem hochmagnetischen Ma­ terial geformt, das entsprechend einer Ausführung dieser Erfindung aus einer Legierung besteht mit 49% Eisen (Fe), 49% Kobalt (Co) und dem Rest Vanadium (Va) mit einer dicke im Bereich von etwa 0,6 bis 0,75 mm (0,025 bis 0,030 Zoll). Andere hochmagnetische Legierungen können solche Metalle wie Platin (Pt), andere Mengen von Kobalt (Co) sowie einige Seltene Erdmetalle enthalten. Bei den Blechen 22 handelt es sich im allgemeinen um solche Bleche, aus denen Rotor und Stator von elektrischen Maschinen aufgebaut werden; sie werden aus dünnem Stahlblechmaterial gestanzt oder ausge­ drückt. Ein Stanzvorgang wird ebenfalls benutzt zum Aus­ stanzen kleiner Umfangsabschnitte der Bleche, so daß Nuten oder Schlitze für elektrische Leiter oder Spulen im Umfang einer Stapelanordnung solcher Bleche als Rotor oder Stator gebildet werden, um darin elektrische Spulen oder Leiter aufzunehmen. Bei der vorliegenden Erfindung sind die den Kanal 25 bildenden Öffnungen in den Blechen als offene Kreise oder halb geschlossene Öffnungen ausgebildet, wobei sich der offene Teil des Kreises am Umfang der Bleche be­ findet. In der in Fig. 2 dargestellten Stapelanordnung der Bleche resultiert daraus eine Anordnung, bei der die be­ nachbarten offenen Kreisteile der Öffnungen des jeweiligen Kanals 25 einen Längsschlitz 26 für jeden Kanal 25 bilden. Kupferstangen oder -stäbe 27 reichen durch die Abschluß­ platten 23 und durch die Kanäle 25 und dienen als elektri­ sche Leiterstäbe für den Rotor 20 des Induktionsmotors. Die Kupferstäbe 27 sowie die Abschlußringe 23 werden zuvor überzogen oder plattiert mit einem guten Bindematerial mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit, die gleich oder größer als die von Kupfer ist. Zu solchen Materialien zählen Me­ talle wie Gold (Au), Silber (Ag) und Materialien und Legie­ rungen, die diese Metalle enthalten. Ein bestimmtes Metall, das diese Erfordernisse erfüllt und in einer Ausführungs­ form dieser Erfindung zum Einsatz kommt, ist Gold (Au). Ge­ mäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung werden die genannten Bleche und Bauteile für die Abschlußringe auf ei­ nem Träger 21 aus Typ 300 rostfreiem Stahl als Rotor 20 nach Fig. 4 zusammengesetzt.

Anschließend wird die so zusammengefügte Anordnung in eine evakuierte Kammer bei einem Druck von etwa 10^-5 torr eingebracht und für etwa drei bis sechs Minuten einer erhöhten Temperatur von etwa 1070°C unterworfen. Dieser Schritt bewirkt, daß die Goldplattierung auf den Bauteilen schmilzt und in die benachbarten Bauteile diffundiert zur Golddiffusionsverbindung des Rotors 20 als einem integralen und einheitlichen Strukturgebilde. Der Verbindungsprozeß wird bei einer Temperatur von etwa 1070° durchgeführt, die über der Arbeitstemperatur des Rotors in einer Röntgenröhre liegt. Diese Umstände bedeuten einen sich positiv auswir­ kenden Vorteil für den Rotor nach dieser Erfindung inso­ fern, als dadurch ein gewisses Maß an Temperatur- und Aus­ gasungskonditionierung des Rotors geleistet wird, zum Bei­ spiel ein gewisser Spannungsausgleich innerhalb der Struk­ tur und seiner Bauteile wie auch ein gewisses Ausgasen auf­ grund der Hochtemperatur-/Niederdruckatmosphäre. Ein Ausga­ sen wurde während des Verbindungsprozesses bei erhöhtem Druck in der Evakuierungskammer beobachtet. Anschließend wird der Rotor in eine Metallbearbeitungsmaschine, zum Bei­ spiel eine Drehbank, eingesetzt und der Außendurchmesser der Ringplatten 23 auf eine vorbestimmte Abmessung ge­ bracht. Dies maschinelle Bearbeitung ergibt ein präzises Durchmessermaß für den Rotor 21 mit einer vorbestimmten Freilegung für die Kupferleiter 27 an der Peripherie des Rotors. Im einzelnen weist der Rotor 20 nach dieser Erfin­ dung eine Reihe von Leiterstäben oder -stangen 27 eng be­ nachbart zum Umfang des Rotors auf, womit sich in vorteil­ hafter Weise ein minimaler Luftspalt zwischen den Leiter­ stäben und den umgebenden Stator des Induktionsmotors er­ zielen läßt. Die Geschwindigkeits-/Drehmomentcharakteristik des Rotors läßt sich variieren, indem man die Querschnitts­ fläche der Schlitze 26 und ihrer Leiter 27 verändert. Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung war die Umfangsweite für das freigelegte Kupfer in jedem Schlitz 26 etwa 1,3 mm (0,053 Zoll), wobei die freiliegende Kupferoberfläche na­ hezu koinzident mit dem Umfang der Stapelanordnung aus den Blechen 22 war.

Alle Materialien des Rotors 20 werden nach den Ge­ sichtspunkten ausgesucht, daß sie mit geringerer Wahr­ scheinlichkeit Gase absorbieren oder einschließen, so daß die für Röntgenröhren notwendige Ausgasungsprozedur nicht unverhältnismäßig zeitaufwendig ist und Gase mit nachteili­ gen Eigenschaften für die Röntgenstrahlerzeugung nicht bei den im Betrieb der Röntgenröhre üblichen Temperaturen und Drucken freigesetzt werden.

Einige der größeren Röntgenröhren werden zusammen­ gesetzt aus Metallabschnitten oder -untergruppen unter Bei­ behaltung der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen allgemeinen Struktur und Anordnung. In einem solchen Fall kann ein ähnlicher Einschnürungsabschnitt einen dünnwandi­ gen Metallzylinder mit einem geschlossenen Ende aufweisen, in den der Rotor 20 nach dieser Erfindung konzentrisch zur Drehbewegung einer angefügten Anode montiert ist. Eine Dar­ stellung dieses eingeschnürten Bereichs aus Metall ist in Fig. 3 gegeben.

In Fig. 3 enthält eine Röntgenröhre 29 einen grö­ ßeren Abschnitt 30 sowie einen Halsabschnitt 31. Der Hals­ abschnitt 31 weist einen dünnwandigen Metallzylinder 32 auf, der koaxial an einem kreisförmigen Flansch 33 befe­ stigt ist. Der Flansch 33 ist Teil eines kegelstumpfähnli­ chen Übergangsstücks 34, das den Halsbereich 31 mit dem größeren Abschnitt 30 der Röhre 29 verbindet. Ein kreisför­ miges Rückseitenteil 35 paßt in das verlängerte Ende des Zylinders 32 und schließt es ab. Der Rotor 20 nach dieser Erfindung wird koaxial in dem Zylinder 32 angeordnet und an einer Welle 36 befestigt, die sich in den größeren Ab­ schnitt 30 der Röhre 29 hinein erstreckt. Eine (nicht dar­ gestellte) Stator- oder Feldwicklung für den Induktionsmo­ tor umgibt in engem Abstand den Halsbereich 31 und bewirkt bei entsprechender elektrischer Energiezufuhr eine Drehbe­ wegung des Rotors 20. Bei einer Verwendung dünnerer Metalle für den Zylinder 32 wird der Betrieb des Rotors nach dieser Erfindung effektiver. Ein dünneres Metall für den Zylinder 32 zusammen mit einem starken Statorfeld sowie einem ent­ sprechend kräftig ansprechendem Rotor 20 nach dieser Erfin­ dung liefern das für Röntgenanoden mit erhöhter Masse er­ forderliche hohe Maß an Drehmoment vom Rotor 20. Der Zylin­ der 32 kann aus magnetischem oder nicht-magnetischem Mate­ rial bestehen. Nach einer Ausführungsform dieser Erfindung wurde der Zylinder 32 aus einer Legierung von Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Chrom (Cr) gebildet, die auch als Inconel- Metall bezeichnet wird und eine Dicke von etwa 0,5 mm (0,020 Zoll) aufwies.

Die Montage und das Verbindungsverfahren des Rotors 20 besteht aus den Schritten: Auswählen der mit Gold zu plattierenden Schlüsselbauteile, Anordnen der Bauteile zu einer Komplettstruktur und danach Aussetzen der Struktur einem Verfahrensschritt bei erhöhter Temperatur und gerin­ gem Druck zur Golddiffusionsverbindung der Schlüsselbau­ teile mit den anderen angrenzenden Komponenten. Das Verfah­ ren liefert einen einheitlichen elektrisch hoch wirksamen und für ein hohes Drehmoment vorgesehenen Rotor für einen Induktionsmotor für Anwendungen bei geringem Druck oder im Vakuum, wobei insbesondere der Verbindungsprozeß bei einer Temperatur ausgeführt wird, die über der üblichen Betriebs­ temperatur liegt, bei der die Röntgenröhre eingesetzt wer­ den soll, und bei der der Druck beziehungsweise das Vakuum einen geringeren Wert aufweist, als der für den Betrieb der Röntgenröhre vorgesehene Wert. Mit dieser Erfindung wird ein hoch wirksamer Rotor für einen Induktionsmotor bereit­ gestellt, der besonders für Betriebsbedingungen bei erhöh­ ter Temperatur, geringem Druck oder Vakuum ausgelegt ist. Der beschriebene Aufbau erlaubt darüber hinaus einen Be­ trieb mit einem verringerten Luftspalt zu den Stator- oder Feldwicklungen des Motors.

Claims (10)

1. Rotor für einen elektrischen Induktionsmotor, insbesondere zur Anwendung in einer evakuierten Kammer, gekennzeichnet durch:

• (a) ein Trägerelement (21) in Form eines Hohlzylinders,
• (b) mehrere konzentrisch auf dem Trägerelement in einer aneinander angrenzenden Stapelanordnung angeordnete dünne, hochmagnetische ringförmige Blechscheiben (22),
• (c) wobei jedes Blech (22) über den Umfang verteilt und nahe am Umfang angeordnet Öffnungen mit einer offenen Kreisform aufweist und alle Bleche in der Stapelanordnung hinsichtlich ihrer Öffnungen zueinander ausgerichtet sind und eine über den Umfang verteilte Reihe von koaxialen und longitudinalen Kanälen (25) am Umfang der Stapelanordnung bilden,
• (d) einen Kupferstab (27) in jedem der Kanäle (25), der mit einem Material zur verbesserten elektrischen Leitfähigkeit sowie zur Verbindung beschichtet ist,
• (e) und einen kreisförmigen Abschlußring (23) aus Kupfer, der mit einem Material zur verbesserten elektrischen Leitfähigkeit und Verbindung beschichtet ist und konzentrisch passend auf dem Trägerelement (21) an jedem Ende der Stapelanordnung eben angrenzend daran angeordnet ist,
• (f) wobei die Abschlußringe (23) eine über den Umfang verteilte Reihe von Öffnungen darin aufweisen, die mit den Kanälen (25) in der Stapelanordnung fluchten, um die Enden der Kupferstäbe (27) darin aufzunehmen.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Metall ist.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material die Kupferstäbe (27) mit den Abschlußringen (23) sowie den Blechen (22) und die Abschlußringe (23) mit dem Trägerelement (21) verbindet.

4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Gold (Au) enthält.

5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (21) aus einem Legierungsmaterial mit Chrom (Cr) und Eisen (Fe) besteht.

6. Verfahren zum Aufbau eines Rotors für einen Induktionsmotor zur Anwendung in einer Röntgenröhre, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

• (a) Bereitstellen eines Trägerelements (21) aus einem Hohlzylinder,
• (b) konzentrisches Anordnen mehrerer hochmagnetischer ringförmiger Bleche (22) auf dem Träger (21) in einer aneinandergrenzenden Stapelanordnung,
• (c) wobei die Bleche eine über den Umfang verteilte Reihe von an den Umfang angrenzenden Öffnungen (24) mit einer offenen Kreisform aufweisen,
• (d) Anbringen der Bleche auf dem Träger (21) mit zueinander ausgerichteten Öffnungen (24),
• (e) Anordnen eines ringförmigen goldplattierten Abschlußrings (23) auf dem Träger (21) angrenzend an das jeweilige Ende der Stapelanordnung,
• (f) wobei die Abschlußringe (23) eine über den Umfang verteilte Reihe von axialen Öffnungen (24) angrenzend an ihren Umfang aufweisen,
• (g) wobei die Öffnungen in den auf den Träger positionierten Ringscheiben mit den auf den Blechen vorgesehenen Öffnungen mit einer offenen Kreisform ausgerichtet werden,
• (h) Einführen eines goldplattierten Kupferstabs (27) durch jede der Öffnungen in den Abschlußringen und durch die in den Blechen vorgesehenen Öffnungen mit offener Kreisform zur Bereitstellung einer montierten Rotoreinheit,
• (i) Unterwerfen der montierten Einheit einer erhöhten Temperatur und einem Druck unterhalb dem atmosphärischen Druck, um die Goldplattierung zu schmelzen und eine Diffusionsverbindung der Stäbe mit den Blechen und den Abschlußringen sowie der Abschlußringe mit dem Träger zur Bildung eines einheitlichen Rotorkörpers herzustellen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche aus einer Legierung mit etwa 49% Eisen, 49% Kobalt und dem Rest Vanadium bestehen.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (21) aus einer Chrom- Eisen-Legierung gebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Bearbeitungstemperatur und dem Bearbeitungsdruck um eine Konditionierungstemperatur sowie um einen Ausgasungsdruck handelt, wobei die Temperatur über der Betriebstemperatur der Röntgenröhre und der Druck unterhalb dem Betriebsdruck der Röntgenröhre liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur etwa 1070°C und der Druck etwa 10^-5 torr beträgt.