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Patent Searching and Data


Title:
TUBE HOOD FOR PREHEATING THE HOUSING OF AN X-RAY TUBE AND METHOD FOR OPERATING AN X-RAY TUBE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/046654
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a tube hood (1) for an X-ray tube, in particular for a microfocus tube, with a housing body (2). The invention provides that the tube hood (1) has an active heating apparatus for the housing body (2). The invention also relates to an X-ray tube with a cathode and an anode (6), which are arranged in a tube hood (1) according to the invention. The invention finally also relates to a method for operating an X-ray tube, in which the invention provides that the temperature of the tube hood (1) is maintained using a heating apparatus at a predeterminable value within a tolerance range.

Inventors:
MUENKER MARTIN (DE)
HARBECKE MARKUS (DE)
Application Number:
PCT/EP2007/009111
Publication Date:
April 24, 2008
Filing Date:
October 19, 2007
Export Citation:
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Assignee:
YXLON INT X RAY GMBH (DE)
MUENKER MARTIN (DE)
HARBECKE MARKUS (DE)
International Classes:
H05G1/02; H01J35/14; H01J35/16
Foreign References:
DE916853C1954-08-19
DE2016372A11970-11-19
US4305631A1981-12-15
JP2002042704A2002-02-08
JP2002100497A2002-04-05
Attorney, Agent or Firm:
DTS MÜNCHEN (München, DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Röhrenhaube (1) für eine Röntgenröhre, insbesondere für eine Mikrofokusröhre, mit einem Gehäusekörper (2), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine aktive Heizvorrichtung für den Gehäusekörper (2) aufweist.

2. Röhrenhaube (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Heizvorrichtung eine Heizfolie (3) ist, die direkt auf dem Gehäusekörper (2) aufgebracht ist.

3. Röhrenhaube (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Heizvorrichtung eine Wärmestrahlungsquelle (4) ist, die ihre Wärmestrahlung (5) direkt auf den Gehäusekörper (2) abstrahlt.

4. Röhrenhaube (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Heizvorrichtung eine Warmwasserversorgung ist.

5. Röhrenhaube (1) nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizungssystem als Teil des Kühlwas- serkreislaufes einer Anode (6) der Röntgenröhre ausgebildet ist und thermisch leitend mit dem Gehäusekörper (2) verbunden ist.

6. Röhrenhaube ( 1 ) nach einem der vorstehenden Patentan- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der Heizvorrichtung regelbar ist.

7. Röhrenhaube (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der Heiz- Vorrichtung dem Wärmeübertrag von der Anode auf den Gehäusekörper (2) unter Volllast (12) entspricht.

8. Röntgenröhre, insbesondere Mikrofokusröhre , mit einer Kathode und einer Anode ( 6 ) , die in einer Röhrenhaube (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrenhaube (1) nach einem der vorstehenden Patentansprüche ausgebildet ist.

9. Verfahren zum Betrieb einer Röntgenröhre, insbesondere einer Mikrofokusröhre, bei der die Temperatur der Röh- renhaube (1) mittels einer Heizvorrichtung auf einem vorgebbaren Wert innerhalb eines Toleranzbereichs gehalten wird.

10. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung schon vor oder während des

Hochfahrens (8) der Röntgenröhre eingeschaltet ist.

11. Verfahren nach Patentanspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine zeitlich verän- derliche Heizleistung abgibt.

12. Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der veränderlichen Heizleistung zusammen mit der aktuellen Leistungsaufnahme der Röntgen- röhre immer gleich ist wie der Wärmeübertrag von der A- node auf den Gehäusekörper (2) unter Volllast (12).

Description:

ROHRENHAUBE ZUM VORHEIZEN DES GEHAUSES EINER RöNTGENRöHRE SOWIE VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER RöNTGENRöHRE

Die Erfindung befasst sich mit einer Röhrenhaube für eine Röntgenröhre mit einem Gehäuse sowie einer Röntgenröhre mit einer Kathode und einer Anode, die in einer Röhrenhaube angeordnet sind. Außerdem befasst sich die Erfindung auch noch mit einem Verfahren zum Betrieb einer Röntgenröhre.

Es sind Röntgenröhren bekannt, die einen sehr kleinen Brennfleck aufweisen, sog. Mikrofokusrohren . Die Fokusgröße liegt dabei teilweise im Mikrometerbereich, beispielsweise bei einem Durchmesser von 1 bis 10 μm. Aufgrund dieser geringen ge- ometrischen Unscharfe ist es möglich, mit solchen Mikrofokusröhren Objekte mit hoher geometrischer Vergrößerung zu durchstrahlen. Bei manchen Anwendungsfällen, beispielsweise der industriellen Computertomographie, ist eine exakte Positionierung der bildgebenden Elemente zueinander unabdingbar, um eine gute Bildqualität zu erhalten. Hierzu muss die Position des Brennflecks genau bestimmt sein. Falls der Brennfleck während der Messung oder auch zwischen der Kalibrierung der Röntgenröhre und der Messung auf der Anode wandert, führt dies zu erheblichen Einbußen bezüglich der Bildqualität. Die Geometrie der Röntgenhaube ändert sich in Abhängigkeit der

Temperatur, da Längendehnung stattfindet. Bekanntermaßen wird in Röntgenröhren nur ein geringer Teil der Bewegungsenergie der im Hochspannungsfeld beschleunigten Elektronen in Röntgenstrahlung umgewandelt. Der größte Teil dieser Energie wird als Wärme in der Anode deponiert und muss über ein Kühlsystem abgeführt werden. Obwohl die Kühlsysteme gut arbeiten, erhitzt sich die Anode, da sie in die Röhrenhaube integriert ist und keine vollständige thermische Entkopplung vorliegt. Somit ist beim Hochfahren der Röntgenröhre oder bei einem Teillastbetrieb eine unterschiedliche Längendehnung der Röhrenhaube die Folge. Bei einem kontinuierlichen Betrieb der Röntgenröhre ist ein thermisch stabiler Zustand nach ca. zwei

Stunden erreicht. Die Röntgenröhre ist dann betriebswarm. Bis zum Erreichen dieses stabilen Zustands ist die gesamte Rönt- genanlage nur eingeschränkt nutzbar, da Aufnahmen mit hoher Vergrößerung nicht verlässlich zu einem reproduzierbaren Er- gebnis führen. Dies folgt daraus, dass die Wanderung des Fokus auf der Anode durch die thermisch induzierte Längendehnung der Röhrenhaube in einem Bereich von bis zu 15 μm liegen kann. Bei einem sehr kleinen Fokus im Bereich von 1 bis 2 μm bedeutet dies, dass die Abbildungsgeometrie ständig nachjus- tiert werden muss, da ansonsten der Fokus vollständig aus dem nutzbaren Bereich herauslaufen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Röhrenhaube, eine Röntgenröhre und ein Verfahren zum Betrieb einer Röntgenröhre zur Verfügung zu stellen, mit denen die nutzbare Messzeit einer Röntgenröhre, insbesondere einer Mikrofokusröhre, erhöht werden kann.

Die Aufgabe wird durch eine Röhrenhaube mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass der Gehäusekörper mit einer aktiven Heizvorrichtung versehen ist, kann dieser schnell auf die Temperatur gebracht werden, die er im Falle des Betriebs der Röntgenröhre unter Volllast im Dauerbetrieb aufweist. Diese Temperatur wird so bedeutend schneller er- reicht, als wenn nur eine thermische Kopplung zwischen Anode und Gehäusekörper vorliegt. Dadurch wird ein schneller stationärer Zustand der Röhrenhaube, insbesondere hinsichtlich der Längendehnung, erreicht und der Fokus auf der Anode bleibt unverändert an seinem Ort, ohne zu wandern. So kann die Rönt- genröhre schon zu einem viel früheren Zeitpunkt zur Messung eingesetzt werden. Außerdem ist es dann bei einem Teillastbetrieb auch möglich, die Temperatur des Gehäusekörpers konstant zu halten und somit keine Nachjustierung des Fokus vornehmen zu müssen. Unter einer aktiven Heizvorrichtung wird eine Vorrichtung zum gezielten Heizen der Röhrenhaube verstanden, die unabhängig von den übrigen, wärme- oder abwar-

meerzeugenden Bestandteilen der Röntgenröhre geregelt oder gesteuert wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Heizvorrichtung eine Heizfolie ist, die direkt auf dem Gehäusekörper aufgebracht ist. Dadurch wird die benötigte Wärme mittels gut zu kontrollierenden Mitteln direkt in den Gehäusekörper eingebracht.

Eine andere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass die Heizvorrichtung eine WärmeStrahlungsquelle ist, die ihre Wärmestrahlung direkt auf den Gehäusekörper abstrahlt. Solche Wärmestrahlungsquellen sind aus dem Stand der Technik gut bekannt und arbeiten zuverlässig und preiswert.

Darüber hinaus ist auch eine Heizvorrichtung in Form einer Warmwasserheizung vorteilhaft. In eine solche Heizvorrichtung kann der Kühlwasserkreislauf der Anode der Röntgenröhre modifiziert integriert werden. So kann die zum Kühlen der Anode eingesetzte Infrastruktur direkt zum Temperieren des Gehäusekörpers verwendet werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Heizleistung der Heizvorrichtung regelbar ist. Dadurch ist es möglich, die Heizleistung in verschiedenen Betriebsmodi oder zu verschiedenen Betriebszeiten zu variieren und die optimale Heizleistung in den Gehäusekörper einzubringen, so dass dieser auf einer konstanten Temperatur gehalten wird und somit über lange Zeiträume keinerlei Längendehnung unterliegt.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Heizleistung der Heizvorrichtung dem Wärmeübertrag von der Anode auf den Gehäusekörper unter Volllast entspricht. Dadurch ist es mög- lieh, immer die minimale, von der Kopplung zwischen der erhitzten Anode und dem Gehäusekörper übertragene Heizleistung in den Gehäusekörper einzubringen. Es ist damit nicht nötig,

über den stationären Betrieb der Röntgenröhre abgegebene Heizleistung durch die Wärmekopplung auf den Gehäusekörper noch durch zusätzliche Heizleistung der Heizvorrichtung zu ergänzen. So erhält man eine konstante Temperatur des Gehäu- sekörpers auf möglichst niedrigem Niveau über eine lange Zeitspanne.

Die Aufgabe wird auch durch eine Röntgenröhre mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Da eine solche Röntgenröhre eine erfindungsgemäße Röhrenhaube umfasst, gelten die oben gemachten Ausführungen zur Röhrenhaube und die damit jeweils erzielten Vorteile analog auch für die gesamte Röntgenröhre.

Schließlich wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Durch das Konstanthalten der Temperatur der Röhrenhaube mittels der Heizvorrichtung auf einem vorgebbaren Wert innerhalb eines Toleranzbereichs werden die oben zum Patentanspruch 1 schon ausgeführten Vorteile erreicht. Es wird ein Dauerbetrieb schon zu einem früheren Zeitpunkt — eventuell schon direkt nach dem

Hochfahren der Röntgenröhre — ermöglicht und über die gesamte Betriebszeit der Röntgenröhre werden Messungen ermöglicht, ohne den Fokus temperaturbedingt nachjustieren zu müssen.

Bevorzugt wird die Heizvorrichtung schon vor oder während des Hochfahrens der Röntgenröhre eingeschaltet, so dass die konstante Betriebstemperatur des Gehäusekörpers der Röhrenhaube schon nach dem Hochfahren der Röntgenröhre gegeben ist und sich der Fokus aufgrund einer fehlenden Längendehnung der Röhrenhaube danach nicht mehr ändert. Dadurch wird eine längere Betriebszeit ohne Nachjustieren des Fokus ermöglicht.

Die Vorteile, die sich durch eine zeitlich veränderliche Heizleistung ergeben, wurden oben schon bezüglich der Weiter- bildungen der Röhrenhaube ausgeführt. Dasselbe gilt bezüglich einer konstanten Summe der veränderlichen Heizleistung zusammen mit dem aktuellen Wärmeübertrag von der Anode auf den

Röhrenkörper auf einem gleich bleibenden Wert, der dem Wärmeübertrag innerhalb der Röntgenröhre unter Volllast entspricht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer Röhrenhaube mit un- terschiedlichen Heizvorrichtungen und

Fig. 2 ein Diagramm der Temperatur der Röhrenhaube in Abhängigkeit von der Zeit.

Figur 1 zeigt eine schematische Anordnung verschiedener Heizvorrichtungen an einer Röhrenhaube 1. Die Röhrenhaube 1 weist einen Gehäusekörper 2 auf, in dem unter anderem eine Anode 6 eingebaut ist. Die Anode 6 ist dabei thermisch nicht vollständig vom Gehäusekörper 2 entkoppelt, so dass die in ihr deponierte Wärme trotz eines überwiegenden Abführens durch einen Kühlwasserkreislauf nach den Gesetzen der Thermodynamik auch auf den Gehäusekörper 2 übertragen wird.

Direkt auf dem Gehäusekörper 2 sind Heizfolien 3 aufgebracht. Diese sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt, so dass im Weiteren nicht näher auf deren Funktionsweise eingegangen wird. Sie dienen dazu, den Gehäusekörper 2 auf einer konstanten Temperatur zu halten bzw. ihn möglichst schnell auf diese Temperatur zu bringen. über die Funktionsweise und insbesondere auch den Verfahrensablauf der Erfindung wird hinsichtlich der Beschreibung zu Figur 2 näher eingegangen.

Eine weitere Heizvorrichtung in Form einer Wärmestrahlungsquelle 4 ist in Figur 1 symbolisch dargestellt. Die Wärme- Strahlungsquelle 4 strahlt Wärmestrahlung 5 ab. Diese ist direkt auf den Gehäusekörper 2 gerichtet (demnach in diesem Ausführungsbeispiel schräg über die Anode 6 auf den Gehäuse-

körper 2 strahlend) und wird von diesem aufgenommen. Dadurch steigt entweder die Temperatur des Gehäusekörpers 2 oder sie wird auf einem konstanten Wert gehalten. Näheres zur Temperatureinstellung wird anhand der Figur 2 beschrieben.

Darüber hinaus weist die Röhrenhaube 1 noch eine dritte Heizvorrichtung auf. Es handelt sich dabei um die oben schon erwähnte Warmwasserversorgung in der Form eines modifizierten Kühlwasserkreislaufs. Hierzu ist ein Kühlwasseranschluss 7 dargestellt, der Kühlwasser an der Anode 6 vorbeiführt und somit einen Teil der darin entstehenden Wärme abführt. Der Kühlwasserkreislauf ist über die Anode 6 auch mit dem Gehäusekörper 2 in thermischem Kontakt und kann somit zu deren Temperierung genutzt werden. Vor und während des Hochfahrens muss allerdings heißes Kühlmittel zirkulieren, wenn die Warmwasserversorgung nicht als Zusatzheizung eingesetzt werden soll, sondern als einzige Heizvorrichtung.

Die drei Heizvorrichtungen müssen nicht alle vorhanden sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine redundante Ausführungsform, da schon eine einzelne Heizvorrichtung ausreicht, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erzielen. Neben den drei explizit dargestellten Heizvorrichtungen sind auch alle anderen Heizvorrichtungen zum Erwärmen bzw. Gleichhalten der Temperatur des Gehäusekörpers 2 mit diesem in Wechselwirkung bringbar. Die drei dargestellten Heizvorrichtungen sind so ausgebildet, dass sie eine veränderliche Heizleistung auf den Gehäusekörper 2 übertragen können. Beispielsweise ist die Heizfolie 3 so ausgestaltet, dass durch die Steuerung des Heizstroms die Heizleistung verändert werden kann. So kann während des Konditionierens der Röntgenröhre, das nahezu stromlos und somit auch nahezu ohne Heizleistung erfolgt, der Gehäusekörper 2 schon bis zum stabilen Zustand aufgeheizt werden.

In Figur 2 sind zwei Kurven dargestellt, wobei die Temperatur T des Gehäusekörpers 2 über der Zeit t (in Minuten angegeben) aufgetragen ist.

Die untere Kurve zeigt den zeitlichen Temperaturverlauf des Gehäusekörpers 2 bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Röntgenröhre, die keine zusätzliche Heizvorrichtung aufweist. Zum Zeitpunkt 0 wird mit dem Hochfahren 8 der Röntgenröhre begonnen. Das Hochfahren 8 ist nach 30 Minuten beendet. Hierbei handelt es sich nur um einen exemplarischen Wert, der bei verschiedenen Röntgenröhren durchaus auch stark variieren kann. Während des Hochfahrens 8 der Röntgenröhre steigt die Temperatur des Gehäusekörpers 2 nur sehr langsam — und im dargestellten Ausführungsbeispiel linear — an. Danach läuft die Röntgenröhre unter Volllast 12 (von ca. 30 Minuten bis ca. 140 Minuten). Die Temperatur des Gehäusekörpers 2 steigt unter Volllast 12 stärker an und nähert sich asymptotisch dem Grenzwert — der stationären Temperaturverteilung T a — an, den der Gehäusekörper 2 bei einem Dauerbetrieb unter Volllast 12 annimmt.

Wird, hier exemplarisch nach ca. 140 Minuten, die Röntgenröhre nicht mehr unter Volllast 12 gefahren, sondern nur noch in einem Teillastbetrieb 9, reduziert sich die Wärmeleistung, die von der Anode 6 an den Gehäusekörper 2 abgegeben wird, da die gesamte Wärmeleistung, die in der Anode 6 produziert wird, ebenfalls abnimmt. Dies bedeutet, dass — in Abhängigkeit von der Höhe der Teillast — die Temperatur des Gehäusekörpers 2 absinkt. Dies gilt analog für jede Art des Last- wechseis.

Im Ergebnis führt dies dazu, dass der Gehäusekörper 2 einer Längendehnung unterworfen ist, da er regelmäßig aus einem Metall bzw. einer Metalllegierung besteht. Dies führt zu der schon bezüglich des Standes der Technik beschriebenen Problematik, dass die Geometrie der Röntgenröhre geändert wird und der Fokus auf der Anode 6 wandert. Wie oben schon ausgeführt,

kann dies bis zu 15 μm betragen. Bei Anwendungsfällen, die eine hohe Genauigkeit bezüglich der Abbildungsgeometrie erfordern, beispielsweise bei hoher Vergrößerung, ist es somit nötig, eine NachJustierung des Fokus vorzunehmen. Jede Jus- tierung benötigt Zeit und zusätzlichen Aufwand, so dass dieses Problem ausgeschaltet werden soll.

Dies geschieht mittels der oben zu Figur 1 schon beschriebenen Heizvorrichtungen. In Figur 2 ist in der oberen Kurve der Temperaturverlauf über der Zeit aufgetragen, der sich für eine erfindungsgemäße Röhrenhaube 1 gemäß Figur 1 und ein erfindungsgemäßes Verfahren ergibt.

Während des Hochfahrens 8 der Röntgenröhre erfolgt ein Vor- heizen 10 durch die Heizvorrichtung. Hierbei wird möglichst viel Wärmeleistung von der Heizvorrichtung auf den Gehäusekörper 2 übertragen, um möglichst schnell die stationäre Temperaturverteilung T a des Gehäusekörpers 2 unter Volllast 12 der Röntgenröhre zu erzielen. Diese wird im dargestellten Ausführungsbeispiel nach ca. 30 Minuten erreicht. Dies entspricht dem Zeitpunkt, zu dem die Röntgenröhre konditioniert und hochgefahren ist. Ab diesem Zeitpunkt wird die Heizleistung der Heizvorrichtung so variiert, dass die Summe aus ihr und der von der Röntgenröhre aktuell übertragenen Wärmeleis- tung die Temperatur des Gehäusekörpers 2 konstant hält. In Figur 2 ist die zusätzliche Wärmeleistung, die aktuell durch die Heizvorrichtung eingebracht wird, daran zu erkennen, wie groß der Unterschied zwischen den beiden Temperaturkurven zum jeweiligen Zeitpunkt ist. Da die Röntgenröhre im Beispiel bis ca. 140 Minuten unter Volllast 12 gefahren wird, nimmt die zusätzlich benötigte Wärmeenergie durch die Heizvorrichtung kontinuierlich ab. Die jeweilige Heizvorrichtung wird — wie oben schon ausgeführt — dementsprechend geregelt.

Ab dem Zeitpunkt, zu dem die Röntgenröhre von Volllast 12 auf Teillastbetrieb 9 umgeschaltet wird, muss wieder mehr Wärmeenergie durch die Heizvorrichtung auf den Gehäusekörper 2 ü-

bertragen werden. Auch hier ist wieder das Maß der zusätzlichen Wärmeenergie gut durch die Differenz zwischen den beiden Kurven zu erkennen.

Die konstant gehaltene Temperatur des Gehäusekörpers 2 liegt im dargestellten Ausführungsbeispiel leicht oberhalb der stationären Temperaturverteilung T a , die ohne Heizvorrichtung bei Volllast 12 gegeben wäre. Somit ist ständig eine gewisse Heizleistung durch die Heizvorrichtung zu erbringen; dies gilt auch für den stationären Betrieb der Röntgenröhre unter Volllast 12. Es ist genauso gut möglich, die stationären Temperaturverteilung T a auch so zu wählen, dass sie der Temperatur ohne Heizvorrichtung bei Volllast 12 der Röntgenröhre entspricht. Dann ist während des stationären Volllastbetriebs der Röntgenröhre keine zusätzliche Heizleistung nötig.

Zusammengefasst kann die Erfindung so beschrieben werden, dass eine Art „Standheizung" in eine Röntgenröhre integriert wird, die den Gehäusekörper 2 möglichst schnell auf eine kon- stante Temperatur bringt und diese Temperatur dann auch während des Betriebs der Röntgenröhre beibehält. Dazu ist die vorgesehene Heizvorrichtung vorzugsweise regelbar. Durch das möglichst schnelle Erreichen der gewünschten Temperatur wird die nutzbare Messzeit 11 vergrößert und ein Justieren des Fo- kus der Röntgenröhre ist nicht nötig, da dieser keiner Wanderung aufgrund der Längendehnung der Röhrenhaube 1 unterliegt. Dies führt zu einer Zeitersparnis und einem geringeren technischen Aufwand.

Bezugszeichenliste

Röhrenhaube

Gehäusekörper

Heizfolie

WärmeStrahlungsquelle

Wärmestrahlung

Anode

Kühlwasseranschluss

Hochfahren

Teillastbetrieb

Vorheizen nutzbare Messzeit

Volllast

stationäre Temperaturverteilung