DE19752254A1 - Rotierende Anode für eine Röntgenröhre unter Verwendung eines Festsitzes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf rotierende Rönt­ genröhren und insbesondere auf rotierende Röntgenröhren, die eine rotierende Anodenanordnung mit Festsitzen zwischen ihren Hauptteilen aufweist.

Die Röntgenröhre ist bei der medizinischen diagnostischen Bildgebung, der medizinischen Therapie und verschiedenen medizinischen Prüf- und Materialanalysetechniken wesentlich geworden. Typische Röntgenröhren sind mit einer rotierenden Anodenstruktur versehen, um die am Brennpunkt erzeugte Wärme zu verteilen. Die Anode wird durch einen Induktions­ motor gedreht, der aus einem zylindrischen Rotor, der in eine auskragende Achse gebaut ist, die das scheibenförmige Anodentarget trägt, und einer Eisenstatorstruktur mit Kup­ ferwicklungen besteht, die den langgestreckten Hals der Röntgenröhre umgibt, der den Rotor enthält. Der Rotor der rotierenden Anodenanordnung, die durch den Stator angetrie­ ben wird, der den Rotor der Anodenanordnung umgibt, ist auf einem anodischen Potential, während der Stator elektrisch auf Erdpotential liegt. Die Kathode der Röntgenröhre lie­ fert ein fokussiertes Elektronenbündel, das über dem An­ oden/Kathoden-Vakuumspalt beschleunigt wird und beim Auf­ prall auf die Anode Röntgenstrahlen erzeugt.

In einer Röntgenröhre mit einer drehbaren Anode besteht das Target bzw. die Antikathode aus einer Scheibe, die aus ei­ nem hochwarmfesten Metall, wie beispielsweise Wolfram, her­ gestellt ist, und die Röntgenstrahlen werden dadurch er­ zeugt, daß man das Röntgenbündel mit diesem Target kolli­ dieren läßt, während das Target mit einer hohen Drehzahl gedreht wird. Die Rotation des Targets wird dadurch herbei­ geführt, daß der Rotor angetrieben wird, der auf einer von dem Target ausgehenden Stützwelle vorgesehen ist. Eine derartige Anordnung ist typisch für rotierende Röntgenröh­ ren und ist seit ihrer Einführung in ihrem betrieblichen Konzept relativ unverändert geblieben. Die Betriebsbedin­ gungen für Röntgenröhren haben sich jedoch in den letzten zwei Dekaden wesentlich verändert.

Bekannte Röntgenröhren verwenden große (200 mm Durchmesser, 4,5 kg) auskragend gehalterte Targets, die mit Drehzahlen bis zu 10.000 U/min umlaufen. Während des Betriebs der Röhre treten extrem große Temperaturänderungen auf, die von Raumtemperatur bis zu Temperaturen von 1600°C reichen, die durch die Abbremsung von schnellen Elektronen in der Wolf­ ram-Rhenium-Schicht der Targetspur erzeugt werden.

Die Vermeidung von Unwuchten bzw. die Beibehaltung der Wucht bei hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen ist ex­ trem kritisch. Eine typische unwucht-Spezifikation für große Röhren zur Zeit des Transportes beträgt 5 g-cm in ent­ weder den Target- oder Rotorebenen. Etwa 5% der gefertig­ ten Röhren mit extrem großen Targets (165 mm Durchmesser, 2,7 kg) sind unbrauchbar aufgrund hoher Unwucht. Eine Ver­ schiebung von 19 µm des Targetschwerpunktes erzeugt diese Größe der Unwucht. Wenn die Anoden größer und schwerer wer­ den, wird die Größe der Verschiebung, die die Unwucht-Spe­ zifikation überschreitet, kleiner. Für die gegenwärtige Targetgröße (Durchmesser von etwa 200 mm und einer Masse von etwa 4,5 kg) überschreitet eine Verschiebung von 11 µm die Unwucht-Spezifikation. Diese kleinen Verschiebungen können leicht auftreten aufgrund der großen Temperaturände­ rungen, kombiniert mit der Verwendung von Materialien, die unterschiedliche thermische Expansions-Koeffizienten auf­ weisen. Weiterhin sind geschraubte, hartgelötete und ge­ schweißte Verbindungen eine Hauptquelle von Unwucht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine exzellente Beibehaltung der Wucht für eine rotierende Anode von einer Röntgenröhre zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird eine Anodenstruktur von einer rotie­ renden Röntgenröhre montiert bzw. zusammengebaut. Die Rönt­ genröhre hat eine Kathode zum Emittieren von Elektronen, einen Rotor und eine Lageranordnung, wobei der Rotor und die Lageranordnung die Rotation der Anode erleichtern. Das Verfahren enthält die Schritte, daß ein Anodentarget be­ reitgestellt wird, das bei einem Bombardement durch die Elektronen Röntgenstrahlen abstrahlt; daß ein Festsitz zwi­ schen dem Rotor und dem Anodentarget verwendet wird, um eine erste Verbindung zu bilden, wobei die erste Verbindung für eine Beibehaltung der Wucht sorgt; und daß ein Festsitz zwischen der Lageranordnung und dem Rotor verwendet wird, um eine zweite Verbindung zu bilden, die für eine Beibehal­ tung der Wucht sorgt.

Erfindungsgemäß wird eine Anodenstruktur geschaffen, die eine exzellente Beibehaltung der Wucht bei hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen aufweist. Es ist ein weiterer Vor­ teil der Erfindung, daß Festsitze zwischen den Hauptteilen der Anodenstruktur benutzt werden, um zu verhindern, daß sich Teile während der Lebensdauer der Röhre verschieben.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnung von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung von einer typi­ schen bekannten Röntgenröhrenanode;

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht von einer Anode, die die Festsitzkonstruktion gemäß der Erfindung enthält; und

Fig. 3 ist eine auseinandergezogene perspektivische An­ sicht von der Anodenstruktur gemäß Fig. 2 und stellt die Festsitzkonstruktion gemäß der Erfindung dar.

Die Erfindung bezieht sich auf rotierende Röntgenröhren, die eine rotierende Anodenanordnung und eine Kathoden­ anordnung verwenden. Der Zweck dieser Erfindung besteht darin, die Beibehaltung der Wucht während der Lebensdauer der Röntgenröhre zu verbessern.

In Fig. 1 ist eine typische bekannte Anodenanordnung einer Röntgenröhre dargestellt. Die Röntgenröhre ist üblicher­ weise durch einen zugeordneten Schaft 14 mit einer rotie­ renden Anodenanordnung 12 zusammengebaut, um die an einem Brennpunkt erzeugte Wärme zu verteilen. Die Anodenanordnung 12 weist ein Target bzw. eine Antikathode 16 und einen Ro­ tor 18 auf, der ebenfalls auf Anodenpotential liegt. Eine übliche Röntgenröhre enthält ferner eine Kathodenanordnung (nicht gezeigt) zum Liefern eines fokussierten Elektronen­ bündels, das über einem großen Anoden/Kathoden-Vakuumspalt beschleunigt wird und beim Aufprall auf die Anode Röntgen­ strahlen erzeugt.

Wie weiterhin in Fig. 1 dargestellt ist, wird die Anodena­ nordnung 12 durch einen Induktionsmotor gedreht, der den zylindrischen Rotor 18 aufweist, der um eine auskragende Achse 20 gebaut ist. Die Kragachse 20 trägt das scheiben­ förmige Anodentarget 16, das über einen Zapfen und eine Nabe 22 mit dem Rotor 18 und der Lageranordnung 20 verbun­ den ist, die die Rotation erleichternde Lager aufweist. Der Rotor 18 der rotierenden Anodenanordnung 12, angetrieben durch einen Stator des Induktionsmotors, ist auf Anodenpo­ tential, während der Stator elektrisch auf Erdpotential liegt.

In einer typischen Einrichtung sind das Target 16, die Ro­ toranordnung 18 und die Lageranordnung 20 durch ge­ schraubte, hartgelötete und/oder geschweißte Verbindungen zusammengebaut. Die vorliegende Erfindung schafft eine si­ gnifikante Verbesserung in der Passung zwischen den Haupt­ teilen der Anodenanordnung 12.

Indem weiterhin auf Fig. 1 und auch auf die Fig. 2 und 3 bezug genommen wird, schlägt die Erfindung die Verwendung einer Festsitzmontage in der Anodenanordnung der Röntgen­ röhre vor, um eine Verschiebung von Komponenten an den Ver­ bindungen zu eliminieren. Das Konzept der Festsitzmontage ist besonders anpaßbar zur Verwendung mit der Anodenanord­ nung 12. Die Anodenanordnung 12 ist, wie am besten in Fig. 2 dargestellt ist, von drei Hauptteilen gebildet, zu denen das Target 16, die Lageranordnung 20 und die Rotoranordnung 18 gehören. Weiterhin weist die Anodenanordnung 12 zwei Hauptverbindungen auf, zu denen eine Lager/Rotor-Verbindung an der Stelle 24 und eine Target/Rotor-Verbindung an der Stelle 26 gehören. Die Verwendung einer Festsitzmontage an diesen Hauptverbindungen gemäß der Erfindung stellt eine Beibehaltung der Wucht während der Lebensdauer der Röhre sicher, indem irgendwelche Verschiebungen in diesen Haupt­ verbindungen eliminiert werden. In einem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung werden folglich das Target 16, die Lageranordnung 20 und die Rotoranordnung 18 auf Festsitztoleranzen gearbeitet, um vollständig konzentrische Verbindungen zu erreichen. Die Festsitzteile können dann zusammengebaut werden, wobei irgend welche geeigneten Mit­ tel, wie beispielsweise Hochfrequenz(HF)-Erwärmung, verwen­ det werden.

Lediglich als Beispiel, und nicht als Einschränkung des Schutzumfanges der Erfindung, wird eine Festsitzmontage von einer Anodenstruktur beschrieben. Gemäß Fig. 3 wird zunächst ein thermischer Schutzabschnitt 28 der Rotoranord­ nung 18 einem Montageschritt ausgesetzt, wie beispielsweise einer HF-Erwärmung. Dies gestattet, daß ein Verbindungsende 30 von der Lageranordnung 20 in einer Aufnahmeöffnung 32 der Rotoranordnung 18 aufgenommen werden kann. Wenn die La­ geranordnung 20 angeordnet ist, wird die Beaufschlagung mit Wärme beendet, und die Verbindung an der Stelle 24 kann ab­ kühlen. Als nächstes wird ein Targetflansch 34 des Targets 16 einem Montageschritt ausgesetzt, wiederum durch HF-Er­ wärmung. Ein Ende 36 des thermischen Schutzes 28 für die Rotoranordnung 18 kann dann von dem Targetflansch 34 auf ge­ nommen werden. Sobald die Rotoranordnung 18 relativ zum Target 16 richtig positioniert ist, kann die Verbindung an der Stelle 26 abkühlen. Dies hat eine Anodenanordnung 12 mit einer sichergestellten Beibehaltung der Wucht während der Lebensdauer der Röhre zur Folge, indem selbst die kleinsten Verschiebungen in den Hauptverbindungen elimi­ niert werden. Selbstverständlich kann jedoch jede Kombina­ tion von Verbindungen und/oder Teilen der Röhre einen Fest­ sitz aufweisen, um die gewünschte Konzentrizität zu errei­ chen.

Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit einer Festsitzmon­ tage von einer Anodenstruktur beschrieben worden, aber für den Fachmann wird deutlich, daß das Konzept der Erfindung, eine Festsitzmontage in der Röntgenröhrenumgebung, auf alle Aspekte einer Röntenröhrenmontage anwendbar ist. Weiterhin wird für den Fachmann deutlich, daß verschiedene Modifika­ tionen und Variationen der Erfindung innerhalb ihres Schutzumfanges möglich ist, die sich auf eine Festsitzmon­ tage in der Röntgenröhrenumgebung bezieht, um zu verhin­ dern, daß sich Röhrenkomponenten während der Lebensdauer der Röhre verschieben. Beispielsweise könnte die Erwärmung der Komponenten der Verbindungen und das mechanische Monta­ geverfahren auf jedem von einer Vielfalt von geeigneten We­ gen ausgeführt werden, einschließlich einer Änderung der tatsächlichen Reihenfolge der Montage, ohne von dem Schutz­ umfang der Erfindung abzuweichen.

Die Erfindung wurde zwar im Detail unter besonderer Bezug­ nahme auf gewisse bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrie­ ben, es wird aber deutlich, daß Modifikationen und Varia­ tionen innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung, wie er durch die Ansprüche definiert ist, vorgenommen werden kön­ nen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Montieren einer rotierenden Röntgenröhrenstruktur, die eine Kathode zum Emittieren von Elektronen, einen Rotor und eine Lageranordnung zum Erleichtern der Rotation von einer Anode aufweist, gekennzeichnet durch:
Identifizieren von wenigstens einer Verbindung in der Röntgenröhrenstruktur und
Verwenden einer Festsitzmontage zum Eliminieren von Verschiebungen an der wenigsten einen Verbindung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anodentarget bereitgestellt wird, das bei einem Bombardement mit Elektronen Röntgenstrahlen abstrahlt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Verwendens einer Festsitzmontage enthält, daß
eine Festsitzmontage zwischen dem Rotor und dem Anodentarget verwendet wird zum Ausbilden einer ersten Verbindung unter Aufrechterhaltung der Wucht und
eine Festsitzmontage zwischen der Lageranordnung und dem Rotor verwendet wird zum Ausbilden einer zweiten Verbindung unter Aufrechterhaltung der Wucht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigsten eine Verbindung mit Wärme beaufschlagt wird, um die Positionierung von Komponenten der Röntgenröhre zu erleichtern.