NL194180C

NL194180C - R÷ntgenbuis met een holle, draaibare anode en een stationair, met vloeistof gekoeld inzetstuk.

Info

Publication number: NL194180C
Application number: NL8900830A
Authority: NL
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1988-04-04
Filing date: 1989-04-04
Publication date: 2001-08-03
Also published as: JP2726093B2; US4928296A; AT397319B; ATA72489A; NL194180B; DE3910224A1; NL8900830A; JPH0212745A; DE3910224C2

Description

1 194180 Röntgenbuis met een holle, draaibare anode en een stationair, met vloeistof gekoeld inzetstuk

De uitvinding heeft betrekking op een röntgenbuis, omvattende een holle draaibare anode die bestaat uit een hol schijfvormig deel met een ringvormige trefbaan, welk hol schijfvormig deel is bevestigd aan een 5 eerste buis die zich coaxiaal vanaf het hol schijfvormig deel uitstrekt, waarbij de inwendige ruimte van het hol schijfvormig deel en de inwendige ruimte van de eerste buis met elkaar in verbinding staan, en waarbij een inzetstuk is aangebracht in het hol schijfvormig deel bestaande uit een binnenste schijfvormig deel dat coaxiaal en op afstand van het hol schijfvormig deel ligt, welk binnenste schijfvormig deel is bevestigd aan een tweede buis, welke tweede buis zich eveneens coaxiaal vanaf het binnenste schijfvormig deel uitstrekt, 10 en op afstand ligt van en wordt omgeven door de eerste buis, en waarbij verder een kathode-inrichting is aangebracht die gericht is naar de ringvormige trefbaan voor het opwekken van een elektronenbundel, een vacuümomhulsel de holle draaibare anode en de kathode omgeeft, en dat de holle draaibare anode is ingericht voor doorstroming met koelvloeistof om warmte af te voeren tijdens bedrijf.

Een dergelijke röntgenbuis is bekend uit de Europese octrooiaanvrage EP-A-0.142.249.

15 Röntgenbuizen van hoog vermogen van het type dat voor medische diagnostiek en röntgenkristallografle wordt toegepast, vereisen een anode die een betrekkelijk grote hoeveelheid warmte kan afvoeren.

Aangezien als primaire methode het afvoeren van deze warmte plaatsvindt door straling vanaf de anode, leidt een vergroting van het stralingsoppervlak tot een grotere warmtedissipatie. Door het roteren van de anode kan telkens een nieuw gebied van het trefoppervlak continu aan de elektronenstraal worden 20 aangeboden, die door de kathode wordt geëmitteerd en kan de warmte opgewekt gedurende het opwekken van röntgenstralen op voordelige wijze over een groter gebied worden verdeeld. Door de rotatie van de anode kan dus een röntgenbuis met in het algemeen hogere vermogensniveaus werken dan een stationaire anode-inrichting en wordt het probleem van de beschadiging van het trefoppervlak die optreedt in inrichtingen waarbij een stationaire anode wordt gebruikt, vermeden onder de voorwaarde dat de temperatuur-25 grenzen van het materiaal van het trefoppervlak niet worden overschreden.

De opgewekte hoeveelheid warmte en de bij een röntgenbuis bereikte temperaturen kunnen aanzienlijk zijn. Omdat minder dan 0,5% van de energie van de elektronenstraal wordt omgezet in röntgenstralen, terwijl een belangrijk gedeelte van de resterende energie als warmte wordt vrijgegeven, kan de gemiddelde temperatuur van het trefoppervlak van de draaibare anode 1200°C overschrijden waarbij lokale piek-30 temperaturen kunnen optreden die aanzienlijk hoger liggen. De verlaging van deze temperaturen en de afvoer van warmte is kritisch voor elke vermogenstoename. De afvoermogelijkheid van de opgewekte warmte door slechts rotatie van de anode is echter begrensd. Als gevolg daarvan is hoewel er behoefte bestaat aan inrichtingen met een steeds hoger vermogen sinds de draaibare anodes voor het eerst zijn ingevoerd, de ontwikkeling van dergelijke inrichtingen achtergebleven.

35 Een verder nadeel van bekende inrichtingen is de beperkte levensduur daarvan, die ten dele wordt bepaald door de mogelijkheid van het afvoeren van warmte daarvan. Aangezien röntgenbuizen betrekkelijk duur kunnen zijn, zal het verlengen van de levensduur van dergelijke röntgenbuizen aanzienlijke kostenbesparingen tot gevolg hebben.

In een röntgenbuis bepalen de lagers waarop de anodeschacht draait, primair de levensduur van de 40 inrichting. De bij een draaibare anode toegepaste lagers worden in het algemeen in het vacuümomhulsel aangebracht om de noodzaak van een draaibare vacuümafdichting te vermijden. Wanneer de lagers in vacuüm zijn aangebracht, is echter een speciale smering noodzakelijk, bijvoorbeeld een op de lagers toegepaste zilverbekleding die op zichzelf warmtegevoelig kan zijn. De temperatuur van de lagers kan wel 400°C overschrijden, primair als gevolg van de warmtegeleiding vanaf de bodem via de schacht waarop de 45 anode draait naar de lagers. Hierdoor wordt een warmte-intensieve en vijandige omgeving voortgebracht, die snel kan leiden tot erosie van de lagers met als gevolg het vastlopen van de schacht en tenslotte een defecte inrichting.

Een juiste koeling teneinde de temperatuur van de lagers van de röntgenbuizen beneden een kritische temperatuur van ongeveer 400°C te houden, zal op voordelige wijze de levensduur van de lagers verlengen 50 en dus van de inrichting zelf. Een dergetijke koeling is voorts gewenst, omdat deze de mogelijkheid biedt van een verhoging van de piekniveaus en de gemiddelde vermogensniveaus boven die van bestaande röntgenbuizen, waardoor de mogelijkheid en de toepasbaarheid van dergelijke inrichtingen beter zijn dan die van de huidige toegepaste inrichtingen.

De in de tijd gemiddelde warmtedissipatie van de röntgenbuis die in een CT-aftaster wordt toegepast 55 bepaalt het aantal in een tijdsperiode behandelde patiënten. Geschat wordt dat de vereiste gemiddelde uitgangsenergie van de pulsvormige elektronenstraal 12 kW is. Huidige CT-aftastbuizen dissiperen ongeveer 3 kW. Wanneer het treforgaan van de röntgenbuis oververhit raakt, hetgeen optreedt wanneer het aantal te 194180 2 behandelen patiënten wordt verhoogd, moet de tijdsperiode tussen opeenvolgende werkingen van de machine worden verlengd, opdat het treforgaan kan afkoelen. Een röntgenbuis met een hogere dissipatie betekent een verbeterd machinegebruik.

Zoals in ΕΡ-ΑΌ.142.249 is beschreven, wordt gekoeld door het in circulatie brengen van een vloeistof 5 door de inwendige ruimte van de anode, waarbij de vloeistof in direct contact staat met de binnenvlakken van de anode. Hoewel een dergelijk systeem de koeling bevordert, is de toepassing van draaibare vloeistofafdichtingen noodzakelijk. Aangezien de afdichtingen onderhevig zijn aan lekkage, is de betrouwbaarheid van een dergelijke inrichting laag en is er geen verzekering dat de inrichting een dergelijke lekkage kan overleven.

10 De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een röntgenbuis van de in de aanhef genoemde soort, waarbij de bovengenoemde nadelen zijn vermeden en die een langere bruikbare levensduur heeft dan de levensduur van tot nu toe beschikbare inrichtingen van dit type en die voorts een verhoogde warmtedissipa-tie heeft waardoor een continue werking mogelijk is.

Dit doel wordt volgens de uitvinding daardoor bereikt, dat het inzetstuk stationair is, dat het stationaire 15 inzetstuk verder een derde buis omvat, welke ook is bevestigd aan het binnenste schijfvormig deel en er zich eveneens coaxiaal vanaf uitstrekt, en op afstand ligt van en wordt omgeven door de tweede buis, dat het stationaire binnenste schijfvormige deel een doortocht bezit die in verbinding staat met de inwendige ruimte van de derde buis aan een uiteinde, zich uitstrekt beneden het oppervlak van het binnenste schijfvormig deel en aan het andere uiteinde in verbinding staat met de buisvormige ruimte gevormd tussen 20 de tweede en de derde buis, dat een doorstroomweg voor koelvloeistof in het stationaire inzetstuk wordt gevormd door de inwendige ruimte van de derde buis, de doortocht in het binnenste schijfvormige deel en de buisvormige ruimte die gevormd is tussen de tweede en de derde buis, dat er lagermiddelen aanwezig zijn voor het draaibaar monteren van de eerste buis op de tweede buis, en dat de inwendige ruimte van de holle draaibare anode in verbinding staat met de inwendige ruimte van het vacuümomhulsel.

25 Tijdens bedrijf stroom koelvloeistof door het stationaire inzetstuk en passeert daarbij de inwendige ruimte van de derde buis, de doortocht in het binnenste schijfvormige deel en de buisvormige ruimte die gevormd is tussen de tweede en de derde buis.

Het voorstel wordt nader toegelicht aan de hand van de tekeningen, waarin: 30 figuur 1 een dwarsdoorsnede van een bekende röntgenbuis met een massieve draaibare anode toont; figuur 2 een dwarsdoorsnede van een röntgenbuis volgens het voorstel weergeeft; en figuur 3 een aanzicht van de holle draaibare anode volgens het voorstel is, waarbij een gedeelte is weggenomen.

35 Een bekende röntgenbuis 11 met een draaibare anode is in dwarsdoorsnede in figuur 1 geïllustreerd. Zoals getoond omvat de röntgenbuis 11 een vacuümomhulsel 13 van glas dat een draaibare schijfvormige anode 21 omgeeft. De anode 21 heeft een ringvormig trefoppervlak 23 aan de omtrek van de voorste wand van de anode, welk oppervlak enigszins schuin ten opzichte van de voorwand verloopt. Het ringvormige trefoppervlak omvat een laag van wolfraamlegering die op een wiel is aangebracht dat uit grafiet of molybdeen 40 is vervaardigd. Voorts is binnen het vacuümomhulsel 13 een kathode 27 geplaatst. De positie van de kathode ten opzichte van de anode 21 is zodanig dat de elektronenstraal daartussen in hoofdzaak evenwijdig is aan de rotatieas 29 van de anode. De anode 21 is op een as 19 bevestigd die door middel van lagers 25 draaibaar is ondersteund. De anode en de as roteren om de as 29 als gevolg van de elektromagnetische wisselwerking tussen een stator 15 en een rotor 17, welke laatstgenoemde aan de as 45 19 is bevestigd.

Een kleine fractie van de energie van de elektronenstraal die het trefoppervlak treft, wordt in röntgenstralen omgezet. De röntgenstralen verlaten de buis via het glazen vacuüm omhulsel. De resterende energie wordt omgezet in warmte die vanaf het trefoppervlak wordt uitgestraald en wordt geabsorbeerd door het vacuümomhulsel en de koelvloeistof die over het buitenvlak van het vacuümomhulsel stroomt binnen een 50 buitenhuis 31. De koelvloeistof transporteert de warmte naar een niet getoonde warmtewisselaar.

In de figuren 2 en 3 waarin dezelfde elementen met dezelfde verwijzingstekens zijn voorzien, Is een uitvoeringsvorm volgens het voorstel getoond. Duidelijkheidshalve zijn de buiten het kader van het voorstel liggende maatregelen, zoals de in figuur 1 getoonde inrichting voor het roteren van de anode weggelaten. Figuur 2 toont een dwarsdoorsnede van een röntgenbuis waarin een vacuümomhulsel 35 een holle 55 draaibare anode 37 omsluit. De anode 37 omvat een hol schijfvormig deel 39 dat uit een materiaal met een hoge geleidbaarheid is gefabriceerd, welk materiaal bestand is tegen hoge temperaturen, zoals molybdeen. Het schijfvormige deel is bijvoorbeeld door hard solderen bevestigd aan een eerste buis 41 die zich in axiale 3 194180 richting vanaf het schijfvormige deel uitstrekt. De eerste buis kan bestaan uit een materiaal met een hoge sterkte, zoals roestvast staal. Het schijfvormige deel 39 heeft aan het voorvlak een afgeschuinde rand 43, welk voorvlak het uitwendige vlak van de schijf vormt, dat van de buis 41 is afgekeerd. Het afgeschuinde randdeel is bedekt met een baan uit wolfraam-rhenium, die als trefoppervlak dient. Een kathode 45 die 5 symbolisch is getekend, levert een elektronenbundel met hoge energie en een kleine diameter, die de roterende rand van de schijf treft, waardoor een gedeelte van de energie wordt omgezet in röntgenstralen die via een kwartsvenster 47 het vacuümomhulsel verlaat.

Concentrisch in de holle draaibare anode 37 is een stationair inzetstuk 51 geplaatst, dat een (binnenste) schijfvormig deel 53 en twee buizen 55 en 57 omvat. De buis 55 is binnen de buis 57 aangebracht en beide 10 zijn aan het schijfvormige deel 53 bevestigd en strekken zich axiaal daar vanaf uit Het binnenste stationaire schijfvormige deel 53 en de buis 57 liggen op afstand van het hol schijfvormige deel 39 van de draaibare anode respectievelijk de buis 41. De holle anode 37 is draaibaar om het inzetstuk gemonteerd door middel van lagers 61 die tussen de buizen 41 en 57 zijn geplaatst. De lagers 61 kunnen van een zilverlaag zijn voorzien om een droge smering in vacuüm te verkrijgen. De ruimten tussen de schijfvormige delen 39 en 53 15 en de buizen 41 en 57 staan in stromingsverbinding met de inwendige ruimte van het vacuümomhulsel 35, zodat wanneer het omhulsel geëvacueerd is, de anode 37 volledig in vacuüm kan draaien. De lagers 61 zijn ook in geëvacueerde ruimte aangebracht.

Uit de figuren 2 en 3 blijkt dat het stationaire schijfvormige deel 53 een doortocht begrenst, die in stromingsverbinding staat met de inwendige ruimte van buis 55 die zich naar het midden van het stationaire 20 schijfvormige deel 53 uitstrekt juist beneden het oppervlak van de voorzijde van het schijfvormige deel 53.

De centrale doortocht beneden het oppervlak van het schijfvormige deel 53 is verbonden met een aantal zich in radiale richting uitstrekkende kanalen 63 die zich beneden het voorvlak van het schijfvormige deel 53 in de richting van de omtrek daarvan uitstrekken tot in een verdeelgebied beneden de omtrek van het schijfvormig deel 53 van het inzetstuk 51 en zich daarna voortzetten beneden het oppervlak van de 25 achterzijde van het schijfvormige deel 53 via radiale kanalen 63 om een verbinding tot stand te brengen met de buisvormige ruimte gevormd tussen de buizen 55 en 57.

Het vacuümomhulsel 35 is aan het uitwendige gedeelte van de buis 57 bevestigd. Een huis 65 omgeeft het vacuümomhulsel 35 en ligt op afstand daarvan, waarbij een inlaat en een uitlaat aanwezig zijn voor het invoeren respectievelijk afvoeren een diêlektrisch koelfluïdum. Een kwartsvenster 67 in het huls dat in lijn 30 ligt met het kwartsvenster 47 in vacuümomhulsel 35 maakt het mogelijk dat de röntgenstralen de buis kunnen verlaten. Het stationaire inzetstuk 51 kan uit roestvrij staal worden vervaardigd evenals het vacuümomhulsel 35 en het huis 65.

Tijdens bedrijf valt de elektronenbundel uit de kathode 45 in op de holle draaibare anode 37, waarbij röntgenstralen worden opgewekt, die via de kwartsvensters 47 en 67 de röntgenbuis verlaten. Door de 35 invallende elektronenbundel wordt de anode 37 verhit De warmte wordt vanaf het roterende trefoppervlak afgevoerd door straling via de vacuümspleet die het inwendige en uitwendige gedeelte van de draaiende anode omgeeft. De warmte wordt vanaf het voor- en achtergedeelte van het holle schijfvormige deel 39 naar het vacuümomhulsel 35 overgedragen en vanaf de inwendige vlakken van het holle draaibare schijfvormige deel 39 naar het stationaire schijfvormige deel 53 aan de binnenzijde. Om het warmtetransport 40 door straling te bevorderen is een bekleding met een hoge emissie bij hoge temperaturen op het niet door straling getroffen oppervlak van het schijfvormige deel 39 aangebracht en is een laag met een hoge absorptie op het uitwendige gedeelte van het stationaire schijfvormige deel 53 aangebracht. Bovendien kunnen beide binnenvlakken die onderhevig zijn aan straling worden voorzien van fijn kool om het warmtetransport tussen de twee onderdelen te vergroten. Het stationaire schijfvormige deel 53 wordt 45 gekoeld door middel van een gedwongen stroming van een diëlektrische koelvloeistof. De kanalen 63 in het inwendige van het stationaire schijfvormige deel 53 verhogen de warmteoverdracht tussen het stationaire schijfvormige deel 53 en de koelvloeistof. Bij een laminaire stroming in begrensde kanalen is de coëfficiënt van warmtetransport tussen het te koelen oppervlak en de vloeistof omgekeerd evenredig met de kanaal-breedte, zodat microscopische kanalen gewenst zijn. De viscositeit van de koelvloeistof bepaalt de minimale 50 praktische kanaalbreedte. Dwarsdoorsneden van de kanalen met een sterke slankheid verminderen voorts de thermische weerstand. Zie het artikel "High-Performance Heat Sinking for VLSI” van D.B. Tuckerman en R.F.W. Pease verschenen in IEEE Electron Device Letters, vol. EDL-2, nr. 5, mei 1981. De richting van de vloeistofstroom is in figuur 2 aangegeven, welke koelvloeistof de buis 55 binnenkomt, en daarna in radiale buitenwaartse richting door de kanalen beneden het voorvlak van het stationaire schijfvormige deel 53 55 stroomt naar het verdeelgebied. De stroming wordt daarna vervolgd door de kanalen beneden het achtervlak van het stationaire schijfdeel naar de buisvormige ruimte gevormd tussen de buizen 55 en 57 en daarbij de lagers 61 passeert. De stromingsrichting zou kunnen worden omgekeerd, waarbij de koelvloeistof

Claims

194180 4 wordt toegevoerd aan de buisvormige ruimte gevormd tussen de buizen 55 en 57 en na circulatie door het stationaire schijfvormige deel de inwendige ruimte van de buis 55 verlaat. Volgens berekeningen kan warmte van 12 kW gemiddeld worden gedissipeerd door de röntgenbuis met een anode met een diameter van 10,16 cm, waarbij het vacuümomhulsel 35 en het stationaire inzetstuk 51 5 door middel van een diëlektrische vloeistof wordt gekoeld. De berekening had betrekking op een inzetstuk van 168 tapse kanalen beneden elk van de inzetstukvlakken. De diameter van de kanalen verloopt van 1,27 cm tot 6,35 cm, waarbij de kanalen een dwarsdoorsnede van 0,3 bij 3,8 mm in het middengedeelte hebben, welke doorsnede groter wordt tot 1,3 bij 5,1 mm aan de omtrek, waarbij de grotere afmeting van het rechthoekige kanaal loodrecht staat op het vlak van het inzetstuk. Het vereiste debiet is 7,19 dm3 per 10 minuut bij 4 atmosfeer door het stationaire inzetstuk, waarbij de koelvloeistof een hoge diëlektrische sterkte en thermische stabiliteit heeft bij hoge temperaturen, zoals een geperfluorineerd fluorkoolstof. Door toepassing van een grotere anodediameter is een groter stationair inzetstuk mogelijk, waardoor de koeling vein het trefvlak wordt bevorderd. 15

1. Röntgenbuis, omvattende een holle draaibare anode die bestaat uit een hol schijfvormig deel met een ringvormige trefbaan, welk hol schijfvormig deel is bevestigd aan een eerste buis die zich coaxiaal vanaf het 20 hol schijfvormig deel uitstrekt, waarbij de inwendige ruimte van het hol schijfvormig deel en de inwendige ruimte van de eerste buis met elkaar in verbinding staan, en waarbij een inzetstuk is aangebracht in het hol schijfvormig deel bestaande uit een binnenste schijfvormig deel dat coaxiaal en op afstand van het hol schijfvormig deel ligt, welk binnenste schijfvormig deel is bevestigd aan een tweede buis, welke tweede buis zich eveneens coaxiaal vanaf het binnenste schijfvormig deel uitstrekt, en op afstand ligt van en wordt 25 omgeven door de eerste buis, en waarbij verder een kathode-inrichting is aangebracht die gericht is naar de ringvormig trefbaan voor het opwekken van een elektronenbundel, een vacuümomhulsel de holle draaibare anode en de kathode omgeeft, en dat de holle draaibare anode is ingericht door doorstroming met koelvloeistof om warmte af te voeren tijdens bedrijf, met het kenmerk, dat het inzetstuk stationair is, dat het stationaire inzetstuk verder een derde buis omvat, welke ook is bevestigd aan het binnenste schijfvormig 30 deel en er zich eveneens coaxiaal vanaf uitstrekt, en op afstand ligt van en wordt omgeven door de tweede buis, dat het stationaire binnenste schijfvormige deel een doortocht bezit die in verbinding staat met de inwendige ruimte van de derde buis aan een uiteinde, zich uitstrekt beneden het oppervlak van het binnenste schijfvormig deel en aan het andere uiteinde in verbinding staat met de buisvormige ruimte gevormd tussen de tweede en de derde buis, dat een doorstroomweg voor koelvloeistof in het stationaire 35 inzetstuk wordt gevormd door de inwendige ruimte van de derde buis, de doortocht in het binnenste schijfvormige deel en de buisvormige ruimte die gevormd is tussen de tweede en de derde buis, dat er lagermiddelen aanwezig zijn voor het draaibaar monteren van de eerste buis op de tweede buis, en dat de inwendige ruimte van de holle draaibare anode in verbinding staat met de inwendige ruimte van het vacuümomhulsel. 40 2. Röntgenbuis volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een huis het vacuümomhulsel omgeeft, waarbij een doortocht wordt gevormd over en langs het vacuümomhulsel waardoorheen koelvloeistof kan stromen.

3. Röntgenbuis volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de doortocht in het stationaire binnenste schijfvormige deel wordt gevormd door een aantal kanalen beneden het oppervlak van het binnenste schijfvormige deel, welke kanalen zich vanaf het middengedeelte van het binnenste schijfvormige deel naar 45 de omtrek daarvan uitstrekken.

4. Röntgenbuis volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de kanalen zich in radiale richting aan de benedenzijde van beide cirkelvormige vlakken van het schijfvormige deel uitstrekken naar de omtrek van het schijfvormige deel, waarbij de kanalen van beide zijden met elkaar in verbinding staan. Hierbij 3 bladen tekening