DE19516831A1 - Metal-ceramic rotary anode X=ray tube - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Kathode, welche in einem wenigstens einen metallischen Bereich aufwei senden Vakuumgehäuse aufgenommen ist, und mit einer Strom durchführung, die durch ein als elektrischer Isolator vorge sehenes Keramikteil in das Innere des Vakuumgehäuses geführt ist, wobei das Keramikteil mit dem metallischen Bereich des Vakuumgehäuses derart verbunden ist, daß die Wärmeleitung von der Stromdurchführung zu dem metallischen Bereich unterbre chungsfrei in dem Keramikteil erfolgt.The invention relates to an X-ray tube with a cathode, which has at least one metallic area send vacuum housing is included, and with a current implementation that is pre-defined as an electrical insulator seen ceramic part into the interior of the vacuum housing is, the ceramic part with the metallic region of the Vacuum housing is connected such that the heat conduction of interrupt the current feed-through to the metallic area in the ceramic part.
Eine derartige Röntgenröhre ist beispielsweise in der DE 42 09 377 A1 beschrieben. Es hat sich gezeigt, daß bei derart aufgebauten Röntgenröhren bei Vorhandensein eines ent sprechenden Potentialunterschiedes zwischen der Stromdurch führung und dem metallischen Bereich des Vakuumgehäuses die Gefahr von Spannungsüberschlägen zwischen diesen beiden Tei len besteht. Dies gilt insbesondere dann, wenn in aus der DE 24 48 497 B2 an sich bekannter Weise die Stromdurchführung mit einem Hochspannungsstecker zusammenwirkt. Es versteht sich, daß derartige Spannungsüberschläge unerwünscht sind, da sie sich auf die Lebensdauer der Röntgenröhre und eines even tuell vorhandenen Hochspannungssteckers negativ auswirken.Such an X-ray tube is for example in the DE 42 09 377 A1 described. It has been shown that at x-ray tubes constructed in this way in the presence of an ent speaking potential difference between the current through guide and the metallic area of the vacuum housing Risk of voltage flashovers between these two parts len exists. This is especially true if in from the DE 24 48 497 B2, in a manner known per se, for carrying out the current interacts with a high voltage connector. It understands themselves that such flashovers are undesirable because they affect the life of the x-ray tube and an even currently existing high-voltage connector have a negative impact.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich eine ver besserte Spannungsfestigkeit ergibt.The invention has for its object an X-ray tube of the type mentioned in such a way that a ver results in better dielectric strength.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Rönt genröhre mit einer Kathode, welche in einem wenigstens einen metallischen Bereich aufweisenden Vakuumgehäuse aufgenommen ist und eine Stromdurchführung aufweist, die durch ein als elektrischer Isolator vorgesehenes Keramikteil in das Innere des Vakuumgehäuses geführt ist, wobei das Keramikteil mit dem metallischen Bereich des Vakuumgehäuses derart verbunden ist, daß die Wärmeleitung von der Stromdurchführung zu dem metal lischen Bereich unterbrechungsfrei in dem Keramikteil er folgt, welches aus einem keramischen Material mit einer Wär meleitfähigkeit von mehr als 20 W/mK (Watt/Meter*Kelvin), insbesondere einem Material, dessen Wärmeleitfähigkeit größer als die von Aluminiumoxidkeramik (25 W/mK) ist, gebildet ist. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß dann, wenn das keramische Material des Keramikteil es eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 20 W/mK aufweist, eine verbesserte Spannungs festigkeit vorliegt. Es wird davon ausgegangen, daß diese verbesserte Hochspannungsfestigkeit durch eine Absenkung der im Betrieb der Röntgenröhre im Bereich des Keramikteiles auf tretenden Temperaturen erreicht wird. So wurden im Falle ei ner herkömmlichen Röntgenröhre innerhalb eines mit einer mit der Kathode in wärmeleitender Verbindung stehenden Strom durchführung zusammenwirkenden Hochspannungssteckers Tempera turen von mehr als 200°C gemessen, was angesichts der Lei stungsaufnahme moderner Röntgenröhren im kW-Bereich und der Kathodenheizleistung in der Größenordnung von 100 W verständ lich ist. Im Falle der erfindungsgemäßen Röntgenröhre tritt eine spürbare Absenkung der Temperatur im Bereich des Kera mikteiles in der Größenordnung von 100°C auf. Von besonderem Vorteil ist die Erfindung, wenn die Stromdurchführung mit ei nem Hochspannungsstecker zusammenwirkt, da dann auch eine Verbesserung der Hochspannungsfestigkeit des Steckers er reicht wird.According to the invention, this object is achieved by an X-ray tube with a cathode which is accommodated in a vacuum housing having at least one metallic region and has a current feedthrough which is guided through a ceramic part provided as an electrical insulator into the interior of the vacuum housing, the ceramic part is connected to the metallic area of the vacuum housing such that the heat conduction from the feedthrough to the metallic area follows uninterruptedly in the ceramic part, which is made of a ceramic material with a thermal conductivity of more than 20 W / mK (watt / meter * Kelvin ), in particular a material whose thermal conductivity is greater than that of aluminum oxide ceramic (25 W / mK). Surprisingly, it has been found that when the ceramic material of the ceramic part has a thermal conductivity of more than 20 W / mK, there is an improved dielectric strength. It is assumed that this improved high-voltage strength is achieved by lowering the temperatures during operation of the X-ray tube in the region of the ceramic part. In the case of a conventional X-ray tube, temperatures of more than 200 ° C were measured within a high-voltage connector which interacts with a thermally conductive connection with the cathode, which in view of the power consumption of modern X-ray tubes in the kW range and the cathode heating power of the order of magnitude of 100 W is understandable. In the case of the X-ray tube according to the invention, there is a noticeable reduction in the temperature in the region of the ceramic part in the order of magnitude of 100 ° C. The invention is particularly advantageous when the current feedthrough interacts with a high-voltage plug, since then an improvement in the high-voltage strength of the plug is sufficient.
Geeignete Materialien für das Keramikteil sind in Tabelle 1 angegeben. Besonders gute Resultate werden mit Materialien erreicht, deren Wärmeleitfähigkeit größer als 150 W/mK ist. Derartige Materialien sind daher besonders für Hochleistungs röntgenröhren geeignet. Suitable materials for the ceramic part are in Table 1 specified. Materials are particularly good results reached, whose thermal conductivity is greater than 150 W / mK. Such materials are therefore particularly high performance X-ray tubes suitable.
Die Verwendung von Aluminiumoxidkeramik als Material für ei nen Isolator, durch den die Stromdurchführungen einer Elek tronenröhre in deren Vakuumgehäuse geführt sind, ist aus der DE 43 08 361 A1 an sich bekannt. Jedoch ist hier der Isolator nicht mit einem metallischen Bereich des Vakuumgehäuses ver bunden.The use of alumina ceramics as a material for egg NEN isolator through which the current feedthroughs of an elec tron tube in its vacuum housing is out of the DE 43 08 361 A1 known per se. However, here is the isolator not with a metallic area of the vacuum housing bound.
Die Erfindung ist insbesondere im Zusammenhang mit solchen Stromdurchführungen von Vorteil, die mit der Kathode in wär meleitender Verbindung stehen, da hier bei herkömmlichen Röntgenröhren infolge der hohen thermischen Belastung die Ge fahr von Spannungsüberschlägen besonders groß ist.The invention is particularly related to such Current feedthroughs that would be advantageous with the cathode communicating connection, since here with conventional X-ray tubes due to the high thermal load the Ge driving flashovers is particularly large.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung dargestellt, die einen Teil einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre im Längsschnitt zeigt.An embodiment of the invention is in the accompanying Drawing shown, which is part of an inventive X-ray tube shows in longitudinal section.
Bei der Röntgenröhre gemäß Fig. 1 handelt es sich um eine Drehanoden-Röntgenröhre, deren Drehanode 1 in einem insgesamt mit 2 bezeichneten Vakuumgehäuse aufgenommen ist.In the X-ray tube shown in FIG. 1 is a rotating anode X-ray tube whose rotary anode is accommodated in a designated overall by 2 vacuum housing 1.
Das Vakuumgehäuse 2 ist u. a. aus mehreren metallischen Gehäu seteilen, z. B. 2a und 2b, zusammengesetzt, weist also einen metallischen Bereich auf. Das an seinem einen Ende beispiels weise durch Löten oder Schweißen mit dem Gehäuseteil 2a ver bundene rohrförmige Gehäuseteil 2b ist an seinem anderen Ende durch ein im weitesten Sinne scheibenförmiges Keramikteil 3 verschlossen, das in die Bohrung des Gehäuseteiles 2b einge lötet ist. Das Keramikteil 3 trägt eine insgesamt mit 4 be zeichnete Kathodenanordnung 4, die eine Glühkathode 5 ent hält.The vacuum housing 2 is seteilen among other things from several metallic housings, eg. B. 2 a and 2 b, put together, so has a metallic area. The example at one end by soldering or welding with the housing part 2 a ver connected tubular housing part 2 b is closed at its other end by a disk-shaped ceramic part 3 in the broadest sense, which is soldered into the bore of the housing part 2 b. The ceramic part 3 carries a total of 4 be marked cathode arrangement 4 , which holds a hot cathode 5 ent.
Die Anschlüsse der Glühkathode 5 sind mit je einer stiftför migen Stromdurchführung 6, 7 verbunden. Die Stromdurchführun gen 6, 7 sind durch entsprechende Bohrungen in dem Keramik teil 3 nach außen geführt. Um Vakuumdichtigkeit zu gewährlei sten, sind zwei jeweils aus einem Flansch- und einem Rohrab schnitt versehene Metallteile 8 und 9 vorgesehen, die im Be reich ihrer Flanschabschnitte mit dem Keramikteil 3 und im Bereich ihrer Rohrteile mit der jeweiligen Stromdurchführung 6 bzw. 7 verlötet sind.The connections of the hot cathode 5 are each connected to a stiftför current bushing 6 , 7 . The current leadthroughs 6 , 7 are guided through corresponding holes in the ceramic part 3 to the outside. In order to guarantee vacuum tightness, two metal parts 8 and 9 , each provided with a flange and a pipe section, are provided, which are soldered in the region of their flange sections with the ceramic part 3 and in the area of their pipe parts with the respective current feedthrough 6 and 7, respectively.
Die durch das Keramikteil 3 nach außen ragenden Enden der Stromdurchführungen 6 und 7 und der durch das Gehäuseteil 2b und das Keramikteil 3 gebildete Bereich des Vakuumgehäuses 2 sind zum Zusammenwirken mit einem insgesamt mit 10 bezeichne ten Hochspannungsstecker vorgesehen, der an dem röhrenseiti gen Ende eines der Verbindung der Röntgenröhre mit einer nicht dargestellten elektronischen Generatoreinrichtung die nenden Hochspannungskabels 11 angebracht ist. Der Hochspan nungsstecker 10 weist ein von einem Blechgehäuse 12 umgebenes Isolierstoffteil 13 auf, in das zwei hülsenförmige Kontakt teile 14, 15 eingebettet sind, die bei auf die Röntgenröhre aufgestecktem Hochspannungsstecker 10 die Stromdurchführungen 6, 7 elektrisch kontaktieren.By the ceramic part 3 outwardly projecting ends of the feedthroughs 6 and 7 and through the housing part 2 b formed and the ceramic part 3 portion of the vacuum housing 2 are provided for co-operation with a total call with 10 th high-voltage connector, the one at the röhrenseiti towards the end the connection of the X-ray tube with an electronic generator device, not shown, the nenden high-voltage cable 11 is attached. The high tension voltage connector 10 has a surrounded by a sheet casing 12 insulating material 13, parts in the two sleeve-shaped contact 14, are embedded 15, which in the plugged-in the X-ray tube high-voltage plug 10, the current feedthroughs 6, electrically contact. 7
Bei dem Hochspannungskabel 11 handelt es sich um ein zweiadriges abgeschirmtes Kabel. Die Abschirmung 16 des Ka bels ist mit dem Blechgehäuse 12 mittels einer Quetsch(Klemm)-Verbindung elektrisch leitend verbunden. Die beiden Adern 17 und 18 des Hochspannungskabels 11 sind mit den Kontaktteilen 14 und 15, z. B. durch Löten, elektrisch leitend verbunden.The high-voltage cable 11 is a two-wire shielded cable. The shield 16 of the cable is electrically connected to the sheet metal housing 12 by means of a crimp (clamp) connection. The two wires 17 and 18 of the high-voltage cable 11 are connected to the contact parts 14 and 15 , for. B. by soldering, electrically connected.
Über die beiden Adern 17 und 18 des Hochspannungskabels 11 wird der Glühkathode 5 übrigens der Heizstrom zugeführt. Außerdem dient eine der beiden Adern des Hochspannungskabels, beispielsweise die Ader 17, der Leitung des Röhrenstromes, der fließt, wenn die Glühkathode 5 beheizt wird und die im Hochspannungsbereich liegende Röhrenspannung zwischen dem mit der Ader 17 des Hochspannungskabels 11 verbundenen Anschluß der Kathode 5 und der Drehanode 11 anliegt. Es geht dann von der Glühkathode 5 ein in der Figur strichliert angedeuteter Elektronenstrahl E aus, der in dem sogenannten Brennfleck BF auf die Auftrefffläche der Drehanode 1 auftrifft. Von dem Brennfleck BF geht dann Röntgenstrahlung aus. Der Zentral strahl Z des durch ein Strahlenaustrittsfenster 19 aus dem Vakuumgehäuse 2 austretenden Nutzröntgenstrahlenbündels ist in der Figur strichpunktiert angedeutet.Incidentally, the heating current is supplied to the hot cathode 5 via the two wires 17 and 18 of the high-voltage cable 11 . In addition, one of the two wires of the high-voltage cable, for example the wire 17 , is used to conduct the tube current that flows when the hot cathode 5 is heated and the tube voltage in the high-voltage range between the connection of the cathode 5 and the wire 17 that is connected to the high-voltage cable 11 Rotating anode 11 is present. It then emanates from the hot cathode 5, an electron beam E indicated in dashed lines in the figure, which hits the impact surface of the rotating anode 1 in the so-called focal spot BF. X-ray radiation then emits from the focal spot BF. The central beam Z of the useful X-ray beam emerging through a beam exit window 19 from the vacuum housing 2 is indicated by dash-dotted lines in the figure.
Zwischen der ringförmigen Stirnfläche des Keramikteiles 3 und einer entsprechenden Fläche des Isolierstoffteiles 13 ist ei ne elastisch nachgiebige Isolierstoffscheibe 20, die bei spielsweise aus Silikongummi bestehen kann, angeordnet. Die Isolierstoffscheibe 20 soll Spannungsüberschläge zwischen den Kontaktteilen 14 und 15, insbesondere dem Hochspannung füh renden Kontaktteil 14, einerseits und dem Gehäuseteil 2b ver hindern.Between the annular end face of the ceramic part 3 and a corresponding surface of the insulating part 13 is ei ne elastically flexible insulating material disc 20 , which may be made of silicone rubber, for example. The insulating washer 20 is intended to prevent voltage flashovers between the contact parts 14 and 15 , in particular the high-voltage contact part 14 , on the one hand, and the housing part 2 b.
Der Hochspannungsstecker 10 ist mittels einiger Schrauben, von denen nur eine in der Figur sichtbar und mit 21 bezeich net ist, an einem die Röntgenröhre aufnehmenden Schutzgehäuse 22 befestigt. Der zum Zusammenwirken mit dem Hochspannungs stecker 10 vorgesehene Bereich der Röntgenröhre liegt in aus der DE 42 09 377 A1 an sich bekannter Weise außerhalb des Schutzgehäuses 22, in dem die Röntgenröhre in an sich bekann ter Weise ortsfest fixiert ist.The high voltage connector 10 is attached to an X-ray tube receiving protective housing 22 by means of some screws, only one of which is designated in the figure net visible and 21st The area of the X-ray tube intended to cooperate with the high-voltage connector 10 lies in a manner known per se from DE 42 09 377 A1 outside the protective housing 22 , in which the X-ray tube is fixed in a manner known per se.
Das Keramikteil 3 ist aus einem keramischen Material gemäß Tabelle 1 gebildet. Hierdurch wird eine deutliche Absenkung der im Bereich des Keramikteiles 3 und des Hochspannungs steckers 10 vorliegenden Temperaturen erreicht, mit der Folge, daß zum einen die Gefahr von Spannungsüberschlägen zwischen den Stromdurchführungen 6, 7 bzw. den Kontaktteilen 14, 15 einerseits und dem Gehäuseteil 2b deutlich verringert ist und zum anderen weist auch der Hochspannungsstecker 10 eine verbesserte Hochspannungsfestigkeit auf. The ceramic part 3 is formed from a ceramic material according to Table 1. This results in a significant reduction in the area of the ceramic part 3 and the high-voltage connector 10 , with the result that, on the one hand, the risk of voltage flashovers between the current feedthroughs 6 , 7 or the contact parts 14 , 15 on the one hand and the housing part 2 b is significantly reduced and, on the other hand, the high-voltage connector 10 also has an improved high-voltage strength.
Wesentlich ist in diesem Zusammenhang, daß die Wärmeleitung in dem Keramikteil 3 in Richtung auf das Gehäuseteil 2b un terbrechungsfrei erfolgt, also weder in dem Keramikteil 3 noch zwischen dem Keramikteil 3 und dem Gehäuseteil 2b irgendwelche nennenswerten Störstellen für den Wärmetransport vorhanden sind.It is essential in this context that the heat conduction in the ceramic part 3 in the direction of the housing part 2 b un uninterrupted, that is, neither in the ceramic part 3 nor between the ceramic part 3 and the housing part 2 b are any significant defects for the heat transfer.
Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels wird dies ei nerseits dadurch erreicht, daß das Keramikteil 3 keine Quer schnittsänderungen aufweist, die als "Wärmebremse" wirken könnten, da die zur Wärmeleitung zur Verfügung stehende Quer schnittsfläche des Keramikteiles 3 in Richtung auf das Gehäu seteil 2b kontinuierlich zunimmt. Andererseits ist durch die übrigens möglichst großflächig auszuführende Lötverbindung des Keramikteiles 3 mit dem Gehäuseteil 2b ein ungehinderter Wärmeübergang von dem Keramikteil 3 auf das Gehäuseteil 2b gewährleistet. Im Falle des beschriebenen Ausführungsbei spiels erfaßt die Lötverbindung die gesamte Kontaktfläche des Keramikteiles 3 mit dem Gehäuseteil 2b.In the case of the described embodiment, this is achieved on the one hand by the fact that the ceramic part 3 has no cross-sectional changes that could act as a "thermal brake", since the available heat conduction cross-sectional area of the ceramic part 3 in the direction of the housing seteil 2 b continuously increases. On the other hand, the soldering of the ceramic part 3 to the housing part 2 b, which is to be carried out as far as possible, ensures an unhindered heat transfer from the ceramic part 3 to the housing part 2 b. In the case of the game Ausführungsbei described, the solder joint detects the entire contact surface of the ceramic part 3 with the housing part 2 b.
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