DE19752254B4

DE19752254B4 - Verfahren zum Zusammenbauen einer rotierenden Röntgenröhrenstruktur

Info

Publication number: DE19752254B4
Application number: DE19752254A
Authority: DE
Inventors: Eti Ganin; Mark O. Derakhshan; Thomas G. Ebben
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1997-11-26
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2017-11-27
Also published as: US5838762A; JP4397976B2; DE19752254A1; JPH10233160A; ATA205197A; AT410991B

Abstract

Verfahren zum Zusammenbauen einer rotierenden Röntgenröhrenstruktur, die eine Kathode zum Emittieren von Elektronen zur Beaufschlagung eines Anodentargets und einen Rotor (18) und eine Lageranordnung (20) zur Ermöglichung der Drehbewegung des Anodentargets aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Identifizieren wenigstens einer Verbindung in der Röntgenröhrenstruktur; Verwenden einer Festsitzmontage zum Eliminieren von Verschiebungen an der wenigstens einer Verbindung, wobei der Schritt zur Verwendung einer Festsitzmontage außerdem den Schritt enthält: Verwenden einer Festsitzmontage zwischen dem Rotor (18) und dem Anodentarget (16) zum Ausbilden einer ersten Verbindung (26), wobei die erste Verbindung unter Beibehaltung des Auswuchtzustands ausgebildet ist; und Verwenden einer Festsitzmontage zwischen der Lageranordnung (20) und dem Rotor (18) zum Ausbilden einer zweiten Verbindung (24), wobei die zweite Verbindung unter Beibehaltung des Auswuchtzustands an einer Position ausgebildet ist, die dem Anodentarget (16) näher liegt als die Position der ersten Verbindung (26).

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf rotierende Röntgenröhren 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 Induktionsmotor gedreht, der aus einem zylindrischen Rotor, der in eine auskragende Achse gebaut ist, die das scheibenförmige Anodentarget trägt, und einer Eisenstatorstruktur mit Kupferwicklungen besteht, die den langgestreckten Hals der Röntgenröhre umgibt, der den Rotor enthält. Der Rotor der rotierenden Anodenanordnung, die durch den Stator angetrieben wird, der den Rotor der Anodenanordnung umgibt, ist auf einem anodischen Potential, während der Stator elektrisch auf Erdpotential liegt. Die Kathode der Röntgenröhre liefert ein fokussiertes Elektronenbündel, das über dem Anoden/Kathoden-Vakuumspalt beschleunigt wird und beim Aufprall auf die Anode Röntgenstrahlen erzeugt.
In einer Röntgenröhre mit einer drehbaren Anode besteht das Target bzw. die Antikathode aus einer Scheibe, die aus einem hochwarmfesten Metall, wie beispielsweise Wolfram, hergestellt ist, und die Röntgenstrahlen werden dadurch erzeugt, dass man das Röntgenbündel mit diesem Target kollidieren lässt, während das Target mit einer hohen Drehzahl gedreht wird. Die Rotation des Targets wird dadurch herbeigeführt, dass der Rotor angetrieben wird, der auf einer von dem Target ausgehenden Stützwelle vorgesehen ist. Eine derartige Anordnung ist typisch für rotierende Röntgenröhren und ist seit ihrer Einführung in ihrem betrieblichen Konzept relativ unverändert geblieben. Die Betriebsbedingungen 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 Wolfram-Rhenium-Schicht der Targetspur erzeugt werden.
Die Vermeidung von Unwuchten bzw. die Beibehaltung der Auswuchtung bei hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen ist extrem kritisch. Eine typische Unwucht-Spezifikation für große Röhren zur Zeit des Transportes beträgt 5 g-cm in entweder den Target- oder Rotorebenen. Etwa 5% der gefertigten Röhren mit extrem großen Targets (165 mm Durchmesser, 2,7 kg) sind unbrauchbar aufgrund hoher Unwucht. Eine Verschiebung von 19 μm des Targetschwerpunktes erzeugt diese Größe der Unwucht. Wenn die Anoden größer und schwerer werden, wird die Größe der Verschiebung, die die Unwucht-Spezifikation 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 Temperaturänderungen, kombiniert mit der Verwendung von Materialien, die unterschiedliche thermische Expansions-Koeffizienten aufweisen. Weiterhin sind geschraubte, hartgelötete und geschweißte Verbindungen eine Hauptquelle von Unwucht.
Bekannt ist es auch aus der US 4 063 123 A , das Target mit der Rotoranordnung über eine Schrumpfsitzverbindung zu verbinden, während in der JP 02201843 A eine Drehanode beschrieben ist, bei der das Target mit einem in eine Bohrung des Target eingreifenden Trägerelement über eine Presssitzverbindung verbunden ist, die anschließend einer Wärmebehandlung unterworfen wird, um die Materialien an der Verbindungsstelle ineinander hineindiffundieren zu lassen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine exzellente Beibehaltung des Auswuchtzustandes für eine rotierende Anode von einer Röntgenröhre zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird eine Anodenstruktur von einer rotierenden Röntgenröhre montiert bzw. zusammengebaut. Die Röntgenröhre 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 bereitgestellt wird, das bei einem Bombardement durch die Elektronen Röntgenstrahlen abstrahlt; dass ein Festsitz zwischen dem Rotor und dem Anodentarget verwendet wird, um eine erste Verbindung zu bilden, wobei die erste Verbindung für eine Beibehaltung des Auswuchtzustandes sorgt; und dass ein Festsitz zwischen der Lageranordnung und dem Rotor verwendet wird, um eine zweite Verbindung zu bilden, die für eine Beibehaltung des Auswuchtzustandes sorgt.
Erfindungsgemäß wird eine Anodenstruktur geschaffen, die eine exzellente Beibehaltung des Auswuchtzustandes bei hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen aufweist. Es ist ein weiterer Vorteil 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 Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 ist eine Querschnittsdarstellung von einer typischen bekannten Röntgenröhrenanode;
2 ist eine Querschnittsansicht von einer Anode, die die Festsitzkonstruktion gemäß der Erfindung enthält; und
3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht von der Anodenstruktur gemäß 2 und stellt die Festsitzkonstruktion gemäß der Erfindung dar.
Die Erfindung bezieht sich auf rotierende Röntgenröhren, die eine rotierende Anodenanordnung und eine Kathodenanordnung verwenden. Der Zweck dieser Erfindung besteht darin, die Beibehaltung des Auswuchtzustands während der Lebensdauer der Röntgenröhre zu verbessern.
In 1 ist eine typische bekannte Anodenanordnung einer Röntgenröhre dargestellt. Die Röntgenröhre ist üblicherweise durch einen zugeordneten Schaft 14 mit einer rotierenden Anodenanordnung 12 zusammengebaut, um die an einem Brennpunkt erzeugte Wärme zu verteilen. Die Anodenanordnung 12 weist ein Target bzw. eine Antikathode 16 und einen Rotor 18 auf, der ebenfalls auf Anodenpotential liegt. Eine übliche Röntgenröhre enthält ferner eine Kathodenanordnung (nicht gezeigt) zum Liefern eines fokussierten Elektronenbündels, das über einem großen Anoden/Kathoden-Vakuumspalt beschleunigt wird und beim Aufprall auf die Anode Röntgenstrahlen erzeugt.
Wie weiterhin in 1 dargestellt ist, wird die Anodenanordnung 12 durch einen Induktionsmotor gedreht, der den zylindrischen Rotor 18 aufweist, der um eine auskragende Achse 20 gebaut ist. Die Kragachse 20 trägt das scheibenförmige Anodentarget 16, das über einen Zapfen und eine Nabe 22 mit dem Rotor 18 und der Lageranordnung 20 verbunden ist, die die Rotation erleichternde Lager aufweist. Der Rotor 18 der rotierenden Anodenanordnung 12, angetrieben durch einen Stator des Induktionsmotors, ist auf Anodenpotential, während der Stator elektrisch auf Erdpotential liegt.
In einer typischen Einrichtung sind das Target 16, die Rotoranordnung 18 und die Lageranordnung 20 durch geschraubte, hartgelötete und/oder geschweißte Verbindungen zusammengebaut. Die vorliegende Erfindung schafft eine signifikante Verbesserung in der Passung zwischen den Hauptteilen der Anodenanordnung 12.
Indem weiterhin auf 1 und auch auf die 2 und 3 bezug genommen wird, schlägt die Erfindung die Verwendung einer Festsitzmontage in der Anodenanordnung der Röntgenröhre vor, um eine Verschiebung von Komponenten an den Verbindungen zu eliminieren. Das Konzept der Festsitzmontage ist besonders anpassbar zur Verwendung mit der Anodenanordnung 12. Die Anodenanordnung 12 ist, wie am besten in 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 des Auswuchtzustands während der Lebensdauer der Röhre sicher, indem irgendwelche Verschiebungen in diesen Hauptverbindungen eliminiert werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel 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 Mittel, wie beispielsweise Hochfrequenz(HF)-Erwärmung, verwendet werden.
Lediglich als Beispiel, und nicht als Einschränkung des Schutzumfanges der Erfindung, wird eine Festsitzmontage von einer Anodenstruktur beschrieben. Gemäß 3 wird zunächst ein thermischer Schutzabschnitt 28 der Rotoranordnung 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 Lageranordnung 20 angeordnet ist, wird die Beaufschlagung mit Wärme beendet, und die Verbindung an der Stelle 24 kann abkühlen. Als nächstes wird ein Targetflansch 34 des Targets 16 einem Montageschritt ausgesetzt, wiederum durch HF-Erwärmung. Ein Ende 36 des thermischen Schutzes 28 für die Rotoranordnung 18 kann dann von dem Targetflansch 34 aufgenommen 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 des Auswuchtzustands während der Lebensdauer der Röhre zur Folge, indem selbst die kleinsten Verschiebungen in den Hauptverbindungen eliminiert werden. Selbstverständlich kann jedoch jede Kombination von Verbindungen und/oder Teilen der Röhre einen Festsitz aufweisen, um die gewünschte Konzentrizität zu erreichen.
Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit einer Festsitzmontage 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 Modifikationen und Variationen der Erfindung innerhalb ihres Schutzumfanges möglich ist, die sich auf eine Festsitzmontage in der Röntgenröhrenumgebung bezieht, um zu verhindern, dass sich Röhrenkomponenten während der Lebensdauer der Röhre verschieben. Beispielsweise könnte die Erwärmung der Komponenten der Verbindungen und das mechanische Montageverfahren auf jedem von einer Vielfalt von geeigneten Wegen ausgeführt werden, einschließlich einer Änderung der tatsächlichen Reihenfolge der Montage, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Die Erfindung wurde zwar im Detail unter besonderer Bezugnahme auf gewisse bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, es wird aber deutlich, dass Modifikationen und Variationen innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung, wie er durch die Ansprüche definiert ist, vorgenommen werden können.

Claims

Verfahren zum Zusammenbauen einer rotierenden Röntgenröhrenstruktur, die eine Kathode zum Emittieren von Elektronen zur Beaufschlagung eines Anodentargets und einen Rotor (18) und eine Lageranordnung (20) zur Ermöglichung der Drehbewegung des Anodentargets aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Identifizieren wenigstens einer Verbindung in der Röntgenröhrenstruktur; Verwenden einer Festsitzmontage zum Eliminieren von Verschiebungen an der wenigstens einer Verbindung, wobei der Schritt zur Verwendung einer Festsitzmontage außerdem den Schritt enthält: Verwenden einer Festsitzmontage zwischen dem Rotor (18) und dem Anodentarget (16) zum Ausbilden einer ersten Verbindung (26), wobei die erste Verbindung unter Beibehaltung des Auswuchtzustands ausgebildet ist; und Verwenden einer Festsitzmontage zwischen der Lageranordnung (20) und dem Rotor (18) zum Ausbilden einer zweiten Verbindung (24), wobei die zweite Verbindung unter Beibehaltung des Auswuchtzustands an einer Position ausgebildet ist, die dem Anodentarget (16) näher liegt als die Position der ersten Verbindung (26).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Verbindung (24) hergestellt wird durch: Einwirkenlassen einer HF-Erwärmung auf den Rotor; Einfügen eines Verbindungsendes (30) der Lageranordnung (20) in eine Aufnahmeöffnung (32) des Rotors; Abkühlen der zweiten Verbindung; und bei dem die erste Verbindung (24) hergestellt wird durch: Einwirkenlassen einer HF-Erwärmung auf einen Targetflansch (34) des Anodentargets (16); Einfügen des Rotors (18), mit dem die Lageranordnung (20) verbunden ist, in den Targetflansch (34); und Abkühlen der ersten Verbindung.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Aufnahmeöffnung (32) des Rotors einen Innendurchmesser aufweist, der bei dem Schritt des Einwirkenlassens einer HF-Erwärmung auf den Rotor (18) größer ist als der Außendurchmesser der Lageranordnung (20) und bei dem der Targetflansch (34) einen Innendurchmesser aufweist, der bei dem Schritt des Einwirkenlassens der HF-Erwärmung auf den Targetflansch (16) des Anodentargets größer ist als der Außendurchmesser des Rotors (18).