Röntgenstrahler

Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahler.

Ein derartiger Röntgenstrahler ist beispielsweise aus der Pa tentanmeldung DE 10 2013 210 967 Al bekannt. Der Röntgen strahler umfasst ein Strahlergehäuse, in dem eine Röntgenröh re mit einem Vakuumgehäuse angeordnet ist. Im Vakuumgehäuse (Vakuumhülle) sind eine Kathode und eine Anode angeordnet. Im Strahlenaustrittsbereich des Röntgenstrahlers ist sowohl im Strahlergehäuse als auch im Vakuumgehäuse jeweils ein Strah- lenaustrittsfenster angeordnet. Die Anode kann als Stehanode (Festanode) oder als Drehanode ausgebildet sein. Bei Hoch- leistungsröntgenstahlern ist die Anode als Drehanode ausge führt. Der Strahlenaustrittsbereich liegt hierbei in der Ro tationsebne der Drehanode.

Im Vakuumgehäuse der Röntgenröhre wird die Röntgenstrahlung erzeugt. Hierzu werden die von der Kathode erzeugten Elektro nen zur der Drehanode hin beschleunigt. Beim Auftreffen der Elektronen auf der Anodenoberfläche entsteht im Aufenthalts bereich des Brennflecks, der bei einer Drehanode eine Brenn bahn bildet, eine allseitig gerichtete Röntgenstrahlung.

Hierbei entsteht eine hohe Wärmeentwicklung. Die beim Elekt ronenbeschuss entstehende Wärme erhitzt die Anode und damit auch die Röntgenröhre während des Betriebs entsprechend stark. Zur Kühlung ist der Raum zwischen dem Strahlergehäuse und dem Vakuumgehäuse mit einem zirkulierenden Kühlmedium ge füllt. Beim Abführen der Wärme aus dem Vakuumgehäuse der Röntgenröhre erhitzt sich das Kühlmedium selbst.

Aufgrund der hohen Rotation der Drehanode (bis zu ca. 160 Um drehungen pro Sekunde) sowie der starken Erwärmung der Dreh anode (bis zu ca. 1.900°C) treten bei einem Hochleistungs- Röntgenstrahler während des Betriebs entsprechend hohe mecha nische und thermische Belastungen auf. Damit besteht bei Ma- terialfehlern die Gefahr eines Berstens der Drehanode. Tref fen Bruchstücke der geborstenen Drehanode im Strahlenaus- trittsbereich auf die Innenseite des Vakuumgehäuses, so ver formt sich das Vakuumgehäuse aufgrund der kinetischen Energie der Bruchstücke. Der geringe Abstand zwischen Vakuumgehäuse und Strahlergehäuse im Strahlenaustrittsbereich (ca. 3 mm) verringert sich durch diese Verformung nochmals, wodurch sich die Kühlung im Strahlenaustrittsbereich entsprechend verrin gert. Die Verformung des Vakuumgehäuses kann sogar so ausge prägt sein, dass das Vakuumgehäuse in diesem Bereich das Strahlergehäuse berührt. Aufgrund der kinetischen Energie der Bruchstücke der geborstenen Drehanode besteht die Gefahr, dass das Vakuumgehäuse dieser Stelle leckgeschlagen werden könnte. Wird außerdem das Strahlergehäuse beschädigt, so tritt dann heißes Kühlmedium aus dem Röntgenstrahler aus.

In dem Gebrauchsmuster DE 77 15 604 Ul ist ein Röntgenstrah ler mit einem Strahlergehäuse beschrieben, in dem eine Rönt genröhre angeordnet ist. Die Röntgenröhre umfasst ein Vakuum gehäuse, in dem eine Kathode und eine Drehanode angeordnet sind. In einem Strahlenaustrittsbereich des Röntgenstrahlers ist im Vakuumgehäuse ein erstes Strahlenaustrittsfenster und im Strahlergehäuse ein zweites Strahlenaustrittsfenster ange ordnet. Um bei einem Zerspringen der Drehanode ein Durch schlagen des Strahlerhäuses zu verhindern, weist das Strah lergehäuse in dem der Peripherie gegenüberliegenden Teil eine Mehrfachbeschichtung (Panzerlaminat) auf. Zur Vervollständi gung des Schutzes ist es erforderlich, das zweite Strahlen- austrittsfenster ebenfalls zu verstärken. Damit ist der Nach teil einer Schwächung der erzeugten Röntgenstrahlung verbun den, wodurch sich die erzielbare Bildqualität entsprechend reduziert .

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2016 213 336 Al ist weiter hin ein Röntgenstrahler mit einem Strahlergehäuse offenbart, in dem eine Röntgenröhre über eine Befestigungseinrichtung im Strahlergehäuse gehalten ist. Die Befestigungseinrichtung um fasst ein kathodenseitig angeordnetes Festlager sowie ein anodenseitiges Loslager. Das Festlager weist einen Röhren flansch und einen zweiteiligen Befestigungsflansch auf, wobei der Röhrenflansch starr an der Röntgenröhre befestigt ist und der Befestigungsflansch als Teil des Strahlergehäuses ausge führt ist. Das Festlager ist ausschließlich Bestandteil der Befestigungseinrichtung und hat keine hat Berstschutzfunkti- on .

Weiterhin ist in dem Gebrauchsmuster JP S57 136200 U ein Ste- reo-Röntgenstrahler beschrieben, der im Strahlenaustrittsbe reich ein Bauelement aufweist, das einen getrennten Durch tritt der zwei erzeugten Nutzstahlbereiche durch das Strah- lenaustrittsfenster gewährleistet. Bei einem Bersten der Drehanode beschädigen die Bruchteile der Drehanode das Bau element und damit das Strahlenaustrittsfenster.

Aus der Patentanmeldung EP 3 264 441 Al ist ein Röntgenstrah ler mit einem Strahlergehäuse bekannt, in dem eine Röntgen röhre angeordnet ist. Innerhalb der Röntgenröhre sind eine Kathode und eine Drehanode angeordnet. Zum Schutz vor Rönt genstrahlung ist die Innenwand des Strahlergehäuses im Be reich außerhalb des Strahlenaustrittsfensters mit einer

Strahlenabschirmung versehen. Bei einem Bersten der Drehanode können durch die entstehenden Bruchstücke die Röntgenröhre und anschließend das Strahlergehäuse beschädigt werden. Die Strahlerabschirmung ist nicht in der Lage, die kinetische Energie der Bruchstücke aufzunehmen und kann deshalb nicht als Berstschutzelement dienen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Röntgenstrahler zu schaffen, eine nochmals verbesserte Be triebssicherheit gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Röntgenstrahler gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er findung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen. Der Röntgenstrahler gemäß Anspruch 1 weist ein Strahlergehäu se auf, in dem eine Röntgenröhre angeordnet ist, die ein Va kuumgehäuse umfasst, in dem wenigstens eine Kathode und we nigstens eine Drehanode angeordnet sind, wobei in einem

Strahlenaustrittsbereich in dem Vakuumgehäuse wenigstens ein erstes Strahlenaustrittsfenster und in dem Strahlergehäuse wenigstens ein zweites Strahlenaustrittsfenster angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist im Rotationsbereich der Drehanode wenigstens ein Berstschutzelement außerhalb des Vakuumgehäu ses und innerhalb des Strahlergehäuses derart angeordnet, dass bei einem Bersten der Drehanode die kinetische Energie der Bruchstücke in einen Bereich innerhalb des Strahlergehäu ses und außerhalb des Strahlenaustrittsbereiches mittels des wenigstens eines Berstschutzelementes übertragbar ist.

Das Berstschutzelement gemäß Anspruch 1 ist somit ein Ener gieaufnahmeelement, das die kinetische Energie der bei einem Bersten der Drehanode entstehenden Bruchstücke zumindest teilweise aufnimmt.

Dadurch, dass bei dem Röntgenstrahler gemäß Anspruch 1 das Berstschutzelement außerhalb des Strahlenaustrittsbereiches angeordnet ist, kann die in der Drehanode erzeugte Röntgen strahlung ungehindert durch das zweite Strahlenaustrittsfens ter austreten. Eine Schwächung der Röntgenstrahlung durch das Berstschutzelement sowie eine damit verbundene Reduzierung der Bildqualität tritt somit nicht auf.

Im Rotationsbereich der Drehanode tritt die im Material der Drehanode erzeugte Röntgenstrahlung aus dem Strahlenaus- trittsfenster im Vakuumgehäuse aus und in das Strahlergehäuse ein, um anschließend durch das Strahlenaustrittsfenster im Strahlergehäuse und damit aus dem Röntgenstrahler auszutre ten. Dieser Bereich wird deshalb auch als Strahlenaustritts bereich bzw. Strahlendurchtrittsbereich bezeichnet.

Der Strahlenaustrittsbereich, der den mechanisch empfind lichsten Bereich eines Röntgenstrahlers darstellt, wird durch die erfindungsgemäße Lösung vor mechanischen Deformationen geschützt. Die Wahrscheinlichkeit, dass bei einem Hochleis- tungs-Röntgenstrahler im Fall eines Berstens der Drehanode das Strahlergehäuse leckgeschlagen wird und in der Folge hei ßes Kühlmedium austreten könnte, ist deshalb erheblich gerin ger, wodurch sich die Funktionssicherheit des Röntgenstrah lers entsprechend erhöht.

Durch die Erfindung ist ein Röntgenstrahler mit einer noch mals erhöhten Rotation der Drehanode (bis zu ca. 200 Umdre hungen pro Sekunde) realisierbar.

Im Rahmen der Erfindung sind für die Anordnung wenigstens ei nes Berstschutzelements verschiedene vorteilhafte Alternati ven realisierbar.

Für die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung wenigstens ei nes Berstschutzelementes außerhalb des Vakuumgehäuses aber innerhalb des Strahlergehäuses sind zwei Alternativen möglich (Ansprüche 2 und 3) , die auch gleichzeitig realisierbar sind (Anspruch 4). Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers ist wenigstens ein Berstschutzelement an wenigstens einer Innenwand des Strah lergehäuses angeordnet (Anspruch 2). Bei dem Berstschutzele ment, das an wenigstens einer Innenwand des Strahlergehäuses angeordnet ist, handelt es sich um ein zusätzliches Bauteil, das vorzugsweise aus einem Metall gefertigt ist und nahe dem Bereich des Strahlenaustrittsfensters im Strahlergehäuse an der Innenwand des Strahlergehäuses kraftschlüssig befestigt ist. Das Berstschutzelement ist somit im Strahlenaustrittsbe reich zwischen dem Vakuumgehäuse und dem Strahlergehäuse an geordnet, ohne jedoch den Strahlenaustritt zu behindern. Ge eignete kraftschlüssige Befestigungen können z.B. mittels Schrauben, Druckklemmen, Schnappverbindungen oder Kabelbinder realisiert werden. Auch Stoffschlüssige Befestigungen, bei spielsweise durch Kleben, Schweißen oder Löten, sind im Rah men der Erfindung möglich. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Berstschutzele ment an wenigstens einer Außenwand des Vakuumgehäuses ange ordnet ist (Anspruch 3) . Die Verbindung zwischen der Außen wand des Vakuumgehäuses und dem Berstschutzelement kann wie derum stoffschlüssig erfolgen, also z.B. durch Kleben,

Schweißen oder Löten.

Bei einem ebenfalls vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Röntgenstrahlers sind wenigstens ein Berst schutzelement an wenigstens einer Innenwand des Strahlerge häuses und wenigstens ein Berstschutzelement an wenigstens einer Außenwand des Vakuumgehäuses angeordnet (Anspruch 4).

Bei dem Röntgenstrahler nach Anspruch 1 sowie dessen vorteil haften Ausgestaltungen, insbesondere gemäß den Ansprüchen 2 bis 4, ist das Design des Berstschutzelements und dessen Lage innerhalb des Strahlergehäuses bzw. an der Außenwand des Va kuumgehäuses so umgesetzt, dass auftreffende Bruchstücke der geborstenen Drehanode nicht in Richtung des Strahlenaus- trittsbereichs sondern in Richtung des massiven (dickwandi gen) Strahlergehäuses gelenkt werden. Diese Richtung stellt einen sogenannten Verformungspfad dar, in dem weitere Bautei le angeordnet sind, z.B. Ablenkspulen zur Ablenkung der von der Kathode emittierten Elektronen. Vorzugsweise ist an einer derartigen Ablenkspule das erfindungsgemäß vorgesehene Berst schutzelement angeordnet. (Anspruch 5) Im Rahmen der Erfin dung kann das Berstschutzelement jedoch auch an einer anderen Stelle innerhalb des Strahlergehäuses angeordnet sein.

Auch die Verformung des Strahlergehäuses ist bei dem erfin dungsgemäßen Röntgenstrahler wesentlich geringer, so dass ge gebenenfalls aufwendig zu behebende Folgeschäden an unmittel bar benachbarten Komponenten, z.B. der Blende, sehr unwahr scheinlich sind.

Vorzugsweise weist das Berstschutzelement eine Kühlmittelfüh rung auf (Anspruch 6) . Die Strömung des Kühlmediums wird dadurch möglichst wenig gebremst. Eine derartige Kühlmittel führung ist z.B. durch Öffnungen, durch die das Kühlmedium strömen kann, oder durch eine entsprechende Außenkontur rea lisierbar .

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn sich das Berstschutzele- ment beim Aufprall der Bruchstücke der geborstenen Drehanode verformt und damit zumindest einen Teil der kinetischen Ener gie der Bruchstücke aufnimmt (Anspruch 7) . Durch die zumin dest teilweise Aufnahme der kinetischen Energie der Bruchstü cke wird deren Flugbahn verändert sowie die Wucht der Bruch stücke entsprechend verringert. Bei Verformung des Berst schutzelementes kann es sich um eine plastische Verformung oder um eine elastische Verformung handeln. Die erfindungsge mäß vorgesehene Deformation in Richtung massiver Bereiche des Strahlergehäuses wird dadurch nochmals verbessert.

Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungs beispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:

FIG 1 einen Teilschnitt eines Röntgenstrahlers gemäß dem

Stand der Technik,

FIG 2 einen Teilschnitt einer Ausführungsform eines Röntgen strahlers gemäß der Erfindung.

Der FIG 1 dargestellte Röntgenstrahler 1 weist ein Strahler gehäuse 2 auf, in dem eine Röntgenröhre 3 angeordnet ist, die ein Vakuumgehäuse 4 umfasst. In dem Vakuumgehäuse 4 sind eine Kathode und eine Drehanode 5 angeordnet. Die Kathode ist auf grund der gewählten Darstellung in FIG 1 nicht sichtbar. Die Drehanode 5 ist verdrehfest auf einer angetriebenen Anoden welle 6 montiert.

Weiterhin sind in auf der Innenseite des Strahlergehäuses 2 Ablenkspulen 13 und 14 im Bereich der Drehanode 5 angeordnet. Die Ablenkspulen 13 und 14 dienen zur Ablenkung der von der Kathode emittierten Elektronen in Richtung der Drehanode 5.

Im Strahlergehäuse 2 zirkuliert ein flüssiges Kühlmedium 7, um die während des Betriebs entstehende Wärme zuverlässig ab zuführen .

In dem Vakuumgehäuse 4 ist ein Strahlenaustrittsfenster 8 an geordnet. In dem Strahlergehäuse 2 ist ebenfalls ein Strah- lenaustrittsfenster 9 angeordnet, das über einen Tubus 10 im Strahlergehäuse 2 gehalten ist.

Das Strahlenaustrittsfenster 8 im Vakuumgehäuse 4 und das Strahlenaustrittsfenster 9 im Strahlergehäuse 2 liegen in ei nem Strahlenaustrittsbereich 11 und sind voneinander nur ge ring beabstandet, typischerweise wenige Millimeter.

Der FIG 2 dargestellte erfindungsgemäße Röntgenstrahler 1 weist ein Strahlergehäuse 2 auf, in dem eine Röntgenröhre 3 angeordnet ist, die ein Vakuumgehäuse 4 umfasst. In dem Vaku umgehäuse 4 sind eine Kathode und eine Drehanode 5 angeord net. Die Kathode ist in der gewählten Darstellung in FIG 2 nicht sichtbar. Die Drehanode 5 ist verdrehfest auf einer an getriebenen Anodenwelle 6 montiert.

Weiterhin sind in auf der Innenseite des Strahlergehäuses 2 Ablenkspulen 13 und 14 im Bereich der Drehanode 5 angeordnet. Die Ablenkspulen 13 und 14 dienen zur Ablenkung der von der Kathode emittierten Elektronen in Richtung der Drehanode 5.

Im Strahlergehäuse 2 zirkuliert ein flüssiges Kühlmedium 7, um die während des Betriebs entstehende Wärme zuverlässig ab zuführen .

In dem Vakuumgehäuse 4 ist ein Strahlenaustrittsfenster 8 an geordnet. In dem Strahlergehäuse 2 ist ebenfalls ein Strah- lenaustrittsfenster 9 angeordnet, das über einen Tubus 10 im Strahlergehäuse 2 gehalten ist. Das Strahlenaustrittsfenster 8 im Vakuumgehäuse 4 und das Strahlenaustrittsfenster 9 im Strahlergehäuse 2 liegen in ei nem Strahlenaustrittsbereich 11 und sind voneinander nur ge ring beabstandet, typischerweise wenige Millimeter.

Bei dem Röntgenstrahler 1 gemäß FIG 2 weist das Strahlerge häuse 2 zumindest im Strahlenaustrittsbereich 11 an wenigs tens einer Innenwand wenigstens ein Berstschutzelement 12 auf .

Der Strahlenaustrittsbereich 11 umfasst einen Bereich, in dem die im Material der Drehanode 5 erzeugte Röntgenstrahlung aus dem Strahlenaustrittsfenster 8 im Vakuumgehäuse 4 austritt und in das Strahlergehäuse 2 eintritt, um anschließend durch das Strahlenaustrittsfenster 9 im Strahlergehäuse 2 und damit aus dem Röntgenstrahler 1 auszutreten.

Bei dem Berstschutzelement 12 handelt es sich um ein zusätz liches Bauteil, das vorzugsweise aus einem Metall gefertigt ist und nahe dem Bereich des Strahlenaustrittsfensters 9 im Strahlergehäuse 2 an der Innenwand des Strahlergehäuses 2 kraftschlüssig befestigt ist. Das Berstschutzelement 12 ist somit im Strahlenaustrittsbereich 11 zwischen dem Vakuumge häuse 4 und dem Strahlergehäuse 2 angeordnet, jedoch ohne den Austritt der Röntgenstrahlung zu behindern. Geeignete kraft schlüssige Befestigungen sind z.B. mittels Schrauben, Druck klemmen oder Kabelbinder realisierbar.

Wie in FIG 2 gezeigt, ist das Berstschutzelement 12 so ange ordnet, dass auftreffende Bruchstücke der geborstenen Dreh anode 5 nicht in Richtung des Strahlenaustrittsbereichs 11 sondern in Richtung des dickwandigen Strahlergehäuses 2 ge lenkt werden. Diese Richtung stellt einen sogenannten Verfor mungspfad dar, in dem weitere Bauteile angeordnet sind, z.B. die Ablenkspulen 13 und 14 zur Ablenkung der von der Kathode emittierten Elektronen. An einer derartigen, im Bereich der Drehanode 5 angeordneten Ablenkspule 14 ist im gezeigten Aus führungsbeispiel das Berstschutzelement 12 angeordnet.

Der Strahlenaustrittsbereich 11, der den dünnwandigsten und damit den mechanisch empfindlichsten Bereich eines Strahler gehäuses 2 dargestellt, wird durch die erfindungsgemäße Lö sung vor mechanischer Deformation geschützt. Die Wahrschein lichkeit, dass bei dem erfindungsgemäßem Röntgenstrahler 1 im Fall eines Berstens der Drehanode 5 das Strahlergehäuse 2 leckgeschlagen wird und in der Folge heißes Kühlmedium 7 aus treten könnte, ist deshalb wesentlich geringer, wodurch sich Funktionssicherheit des Röntgenstrahlers 1 deutlich erhöht.

Auch die Verformung des Strahlergehäuses 2 ist bei dem erfin- dungsgemäßen Röntgenstrahler 1 wesentlich geringer, so dass gegebenenfalls aufwendig zu behebende Folgeschäden an unmit telbar benachbarten Komponenten, z.B. der Blende oder weite rer benachbarter Komponenten, sehr unwahrscheinlich sind.