DE69736345T2

DE69736345T2 - Apparat zur erzeugung von röntgenstrahlen mit einer wärmeübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69736345T2
Application number: DE69736345T
Authority: DE
Inventors: Clark Robert Salt Lake City TRESEDER; Gordon Belmont LAVERING
Original assignee: Varian Medical Systems Technologies Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1996-06-06
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2017-05-17
Also published as: IL122998A; JP3988167B2; IL122998A0; JP2006066402A; DE69736345D1; US5689542A; JP4176799B2; EP0842593A1; WO1997047163A1; EP1727405A3; EP1727405A2; JP2007134342A; EP0842593B1; JP3758092B2; EP1727405B1; JPH11510955A; DE69740134D1

Description

Sachgebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Hochleistungs-Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung, und insbesondere auf flüssigkeitsgekühlte Röntgenstrahlen-Erzeugungsröhren mit einer drehbaren Anodenanordnung.
Hintergrund der Erfindung
Neuere Fortschritte in der Röntgenstrahlendetektor-Digitalsignalverarbeitung, den Bildrekonstruktionsalgorithmen und der Rechenleistung haben die Entwicklung von schnellen und zuverlässigen Helical-CT-Scannern ermöglicht. Die Geschwindigkeit und die Schnelligkeit, mit denen CT-Scanner arbeiten, hängen von der Zuverlässigkeit der Röntgenstrahlröhren ab. Betriebsweisen einer Röntgenstrahlröhre sind durch ein zeitweiliges Abschalten des CT-Scanners, um zu ermöglichen, dass sich die Röntgenstrahlröhre zwischen Abtastungen abkühlt, begrenzt.
Herkömmliche Röntgenstrahlen-Erzeugungsröhren, die ausreichend im Stand der Technik bekannt sind, bestehen aus einem äußeren Gehäuse, das eine Vakuumummantelung enthält. Die luftleere Ummantelung weist axial beabstandete Kathoden- und Anodenelektroden auf. Röntgenstrahlen werden während der schnellen Abbremsung und der Streuung der Elektronen in einem Target-Material mit einer hohen Ordnungszahl, wie beispielsweise Wolfram oder Rhenium, erzeugt. Die Elektronen gehen von einem heißen Wolfram-Filament aus und erhalten Energie, indem sie den Zwischenraum zwischen der negativ aufgeladenen Kathode und dem positiv aufgeladenen Anoden-Target durchqueren. Die Elektronen treffen auf die Oberfläche der Spur (Track) mit typischen Energien von 120–140 keV auf. Nur ein sehr kleiner Anteil der kinetischen Energie der Elektronen wird, unter Auftreffen auf das Target, in Röntgenstrahlen umgewandelt, während die restliche Energie in Wärme umgewandelt wird. Das Material in dem Fokuspunkt auf dem Target kann, als eine Folge, Temperaturen nahe zu 2400 °C für ein paar Mikrosekunden, während der es bestrahlt wird, erreichen. In jeder Röntgenstrahlröhre, außer der kleinsten, dreht sich die Anode innerhalb des Vakuums, um diese Wärmezone über einen großen Bereich, bezeichnet als fokale Spur, auszubreiten. Versuche, die Elektronenstrahlleistung für eine bessere Systemfunktion zu erhöhen, erhöhen auch die Temperatur dieser fokalen Spur auf noch höhere Werte, was zu einem ernsthaften, durch Spannung induzierten Reißen der Oberfläche der fokalen Spur führt. Dieses Reißen führt zu einer verkürzten Lebensdauer der Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung. Wenn die fokale Spur mit einem Strom aus energetischen Elektronen bombardiert wird, werden ungefähr 50 % dieser einfallenden Elektronen davon zurückgestreut. Die meisten dieser zurückgestreuten Elektronen verlassen die Oberfläche des Targets mit einem großen Anteil deren ursprünglicher, kinetischer Energie und werden zu der Anode unter einem bestimmten Abstand von dem fokalen Fleck zurückkehren, was Röntgenstrahlen erzeugt. Eine zusätzliche Strahlung, bekannt als Strahlung außerhalb des Fokus (off-focal radiation), erzeugt durch diesen Rückstreueffekt, ist von einer niedrigeren Intensität und kann die Bildqualität verschlechtern. Die Strahlung außerhalb des Fokus verkompliziert nicht nur die CT-System-Bilderzeugung, sondern trägt auch zu der Wärmebelastung des Röntgenstrahlröhren-Targets bei. Einige zurückgestreute Elektronen besitzen genug Energie und die geeignete Geschwindigkeitsorientierung, um auf die Wand der luftleeren Ummantelung oder sogar auf das Röntgenstrahlen-Fenster, das aus einem Material mit niedriger Ordnungszahl, wie beispielsweise Beryllium, gebildet ist, aufzutreffen. Diese letzteren Elektronen wärmen die Vakuumummantelung und das Fenster aus Beryllium auf. Wenn die erwärmten Bauteile innerhalb der Struktur der luftleeren Ummantelung ungefähr 350 °C erreichen, wird das Kühlöl, das sich außerhalb der luftleeren Ummantelung befindet, und das in Kontakt damit zirkuliert, damit beginnen, zu sieden und sich zu zersetzen. Der Siedevorgang kann Bildartefakte hervorrufen und das Zersetzen des Öls bildet Kohlenstoff, das sich mit der Zeit auf sowohl dem Röntgenstrahlen-Fenster als auch den Wänden der luftleeren Ummantelung niederschlägt und ansammelt.
Es ist auch bekannt, dass dann, wenn Röntgenstrahlen dadurch erzeugt werden, dass ein Anoden-Target mit Elektronen bombardiert wird, der größte Anteil der Elektronenenergie in Wärme überführt wird, die letztendlich an die Umgebung über das flüssige Kühlmittel abgegeben werden muss.
In den herkömmlichen Anordnungen einer Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung werden ein zirkulierendes Kühlmittel und ein elektrisch isolierendes Fluid, wie beispielsweise Öl, durch das Röhrengehäuse gerichtet. In dem Aufbau der Röhre, die von Fetter (US-Patent Nr. 4,309,637) offenbart ist, zirkuliert das kühlende Öl durch die Wege in der Welle der Anodenanordnung. Als weitere Verbesserung ist ein Abdeckteil (shroud) um das Anoden-Target herum vorgesehen, um den Effekt einer Strahlung außerhalb des Fokus zu verringern. Während ein solcher Aufbau einige Vorteile hat, ist das Abdeckteil zu der Elektronenquelle hin verlängert und der Elektronenstrahl läuft durch eine Öffnung in dem Abdeckteil zu dem Anoden-Target hin. Das Abdeckteil in dem Aufbau nach Fetter ist hohl gestaltet, was ermöglicht, dass kühlendes Öl dort hindurchführt. Das Abdeckteil erzeugt einen langen Driftbereich, der zu einem Defokussieren des Elektronenstrahls führt. Die Anordnung des Abdeckteils verursacht eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids dort, wo eine konvektive Wärmeübertragung am meisten benötigt wird. Weiterhin erhöht sich die Länge zwischen der Anode und der Kathode der Röhre sehr stark, was die gesamte Größe der Röhre beeinflusst.
Die EP-Patentanmeldung EP-A-0 009 946 offenbart eine Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung, bei der Strahlung außerhalb des Fokus aufgrund von zurückgestreuten Elektronen durch Ummanteln der Target-Elektrode in einer Metall-Ummantelung, die auf Anodenpotenzialen gehalten wird, und wobei die Kathoden-Ummantelung von der Anoden-Ummantelung getrennt ist, verringert. Der Elektronenstrahl dringt in die Anoden-Ummantelung durch ein Loch, das darin vorgesehen ist, ein. Ein solcher Aufbau führt zu einer wesentlichen Defokussierung des Elektronenstrahls.
Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung mit einem verbesserten Kühlsystem, das im Wesentlichen die vorstehend angegebenen Haupteinschränkungen, die sich auf die Funktionsweise der Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung beziehen, verringert, zu schaffen.
Es ist eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abschirmungsstruktur zu schaffen, die eine gewendelte Wärmeübertragungsvorrichtung, die darin eingesetzt ist, aufweist, um lokal die Geschwindigkeit des Kühlfluids, das dort hindurchführt, zu erhöhen, und den Bereich in einer kritischen Wärmeaustauschstelle für ein effektives Kühlen des Anoden-Targets zu erhöhen und die strukturelle Erwärmung aufgrund von Strahlung, die sich außerhalb des Fokus befindet, durch zurückgestreute Elektronen zu minimieren.
Es ist eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung mit einer verlängerten Lebensdauer zu schaffen, um einen fortlaufenden Betrieb ohne erhöhte Leistungsabnahme zu ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung mit einer Abschirmungsstruktur zu schaffen, die ein Paar Kammern besitzt, um Kühlfluid, das zwischen einem Anoden-Target und einer Elektronenquelle angeordnet ist, zu zirkulieren.
Eine Abschirmungsstruktur ist zwischen der Anodenanordnung und der Elektronenquelle angeordnet. Die Abschirmungsstruktur weist einen Körper mit einer Öffnung, um den Elektronenstrahl hindurchzuführen; Einström- und Ausströmkammern mit einem Septum dazwischen, um Kühlmittel innerhalb der Einström- und Ausströmkammern zu zirkulieren, auf. Die Einström- und Ausströmkammern befinden sich nahe zu dem Anoden-Target und der Elektronenquelle jeweils und eine Wärmeübertragungsvorrichtung ist dazwischen zum Unterstützen der Abführung der Wärme, die durch die Abschirmungsstruktur erzeugt ist, angeordnet.
Die Abschirmungsstruktur weist einen Körper auf, der durch eine konkave, obere Fläche, die zu der Elektronenquelle hinweist, eine flache Bodenfläche, die zu dem Anoden-Target hinweist, und einer äußeren und einer inneren Wand gebildet ist, wobei die äußere Wand eine höhere, lineare Dimension als die innere Wand besitzt, während die innere Wand eine Elektronenstrahlöffnung definiert. Die Abschirmungsstruktur weist weiterhin Einström- und Ausströmkammern, mit einem Strömungsteiler dazwischen, auf. Die Wärmeübertragungsvorrichtung weist einen ausgedehnten Wendeldraht, der einen Kanal für ein Kühlfluid bildet, das durch die Wendel in einer radialen Richtung zwangsgeführt wird, auf.
Gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Wendeldraht innerhalb der Abschirmungsstruktur, die die Elektronenstrahlöffnung umgibt, angeordnet.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Wärmeübertragungsvorrichtung eine Vielzahl von verlängerten Wendeln auf und der Innenraum der Abschirmungsstruktur besitzt eine Vielzahl an Furchen bzw. Rillen, um eine jeweilige Vielzahl der verlängerten Wendel der Drähte darin, angeordnet radial innerhalb der Abschirmungsstruktur, anzuordnen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für eine verbesserte Wärmeübertragung von einem Anoden-Target in einer Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung, die eine luftleere Ummantelung mit einer Elektronenquelle zum Erzeugen des Elektronenstrahls und ein Anoden-Target zum Abbremsen der Elektronen des Elektronenstrahls zum Erzeugen von Röntgenstrahlen aufweist, geschaffen. Das Verfahren für eine verbesserte Wärmeübertragung weist die Schritte eines Strukturierens einer Abschirmungsanordnung, die einen Körper mit einer gewendelten Wärmeübertragungsvorrichtung, die darin eingesetzt ist, und eine Elektronenstrahlöffnung besitzt, und eines Anordnens dieser Anordnung zwischen dem Anoden-Target und einer Elektronenquelle auf.
Die vorstehenden und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich werden. In der Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die einen Teil davon bilden und in denen, anhand einer erläuternden Darstellung, eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung, die die vorliegende Erfindung einsetzt.
2 zeigt eine teilweise aufgeschnittene, isometrische Ansicht der vorliegenden Erfindung, die eine Abschirmungsstruktur darstellt.
3A zeigt eine teilweise aufgeschnittene, isometrische Ansicht einer Abschirmungsstruktur mit einem darin eingesetzten, gewendelten Wärmeübertragungsdraht.
3B zeigt eine teilweise aufgeschnittene, isometrische Ansicht der Abschirmungsstruktur mit einer Vielzahl von gewendelten Drähten, die darin eingesetzt sind.
4A zeigt eine vergrößerte, aufgeschnittene, isometrische Ansicht einer Spitze der Abschirmungsstruktur, wobei der gewendelte Draht Wendel mit kreisförmigen Querschnitten besitzt.
4B zeigt eine vergrößerte, aufgeschnittene, isometrische Ansicht der Spitze der Abschirmungsstruktur, wobei der gewendelte Draht Wendel mit nicht kreisförmigen Querschnitten besitzt.
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Verteilung von zurückgestreuten Elektronen innerhalb einer evakuierten Ummantelung, die die Abschirmungsstruktur der vorliegenden Erfindung aufweist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Insbesondere in 1 der beigefügten Zeichnungen ist eine Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung 10, die ein Gehäuse 12 mit einer luftleeren Ummantelung 14 umfasst, dargestellt. Die luftleere Ummantelung weist eine Elektronenquelle 16 und eine drehbare Anodenanordnung 18, die ein Target 20 besitzt, auf. Die Abschirmungsstruktur 22 ist zwischen dem Anoden-Target 20 und der Elektronenquelle 16 angeordnet. Die Abschirmungsstruktur 22 besitzt eine konkave, obere Fläche 21, die zu der Elektronenquelle 16 hinweist, eine flache Bodenfläche 23, die zu dem Anoden-Target 20 hinweist, eine innere Wand 25 und eine äußere Wand 27. Die äußere Wand 27 der Abschirmungsstruktur ist in ihrer geraden Dimension höher als eine innere Wand 25 davon. Die innere Wand der Abschirmungsstruktur definiert eine Öffnung, um einen Strahl aus Elektronen, erzeugt durch die Elektronenquelle, hindurchzuführen. Wie in 2 dargestellt ist, besitzt die Abschirmungsstruktur 22 einen Körper, der durch eine konkave, obere Fläche 21, die zu der Elektronenquelle 16 hinweist, und eine flache Bodenfläche 23 gebildet ist. Die Abschirmungsstruktur 22 weist eine Einströmkammer 24 und eine Ausströmkammer 26, mit einem Strömungsteiler 28 dazwischen, auf. Ein Wendeldraht 30 ist innerhalb eines abge schrägten Bereichs der Abschirmungsstruktur, der eine Spitze definiert, wie dies in 3A dargestellt ist, platziert. Der Innenraum dieser Abschirmungsstruktur 22 ist gerändelt, um eine Wärmeübertragung zwischen der Abschirmungsstruktur und der Kühlflüssigkeit, die dort hindurchfährt, zu erhöhen. Ein Fluidreservoir 32 ist innerhalb des Gehäuses 12 ausströmseitig der Abschirmungsstruktur 22 angeordnet. Der Raum zwischen dem Gehäuse und der luftleeren Ummantelung kann für das Kühlfluid verwendet werden.
Im Betrieb trifft der Elektronenstrahl von der Elektronenquelle 16 auf das sich drehende Anoden-Target auf, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, die durch die jeweiligen Fenster 15 und 17 in der luftleeren Ummantelung 14 und dem Gehäuse 12 austreten. Der auftreffende Elektronenstrahl erwärmt das Target 20. Wärme wird durch das Target 20 auf die luftleere Ummantelung 14 gestrahlt. Die Abschirmungsstruktur verringert wesentlich die Wärmebelastung des Anoden-Targets, indem Wärme auf das Kühlfluid, das durch den gewendelten Draht 30 fließt, geleitet wird. Der gewendelte Draht 30 in der Abschirmungsstruktur 22 erhöht den benetzten Bereich und dient dazu, lokal die Geschwindigkeit, und deshalb die lokale Turbulenz des Kühlfluids, was kritische Parameter bei einem mehrphasigen, konvektiven Kühlen sind, zu erhöhen. Ein mehrphasiges Kühlen verwendet ein flüssiges Kühlmittel mit großer Masse und mäßiger Temperatur unter hoher Geschwindigkeit, um lokale Dampftaschen oder Blasen von der erwärmten Oberfläche auszuspülen oder abzuscheren. Diese Blasen in der gasförmigen Phase werden unmittelbar durch die kühlere Fluidmenge kondensiert und die Netto-Wärmebelastung wird demzufolge von der erwärmten Oberfläche mit nur einem geringen Anstieg in der kalorischen mittleren Kühlmitteltemperatur (bulk coolant temperature) weggenommen. Demzufolge entfernt die Verdampfungswärme, die nur einen kleinen Prozentsatz der Masse des Kühlmittels in der flüssigen Phase zu dessen Dampfphase umwandelt, den größten Prozentsatz der Wärmebelastung von sowohl den benetzten Oberflächen der gewendelten Drähte als auch den inneren Wendeloberflächen der "Furchen". Eine erhöhte Geschwindigkeit des Kühlmittels, das über die erwärmte Oberfläche fließt, ermöglicht, dass lokale, kleine Dampfblasen von der Flüssigkeit, die mit der Wärmeaustauschoberfläche in Kontakt steht, wegzureißen, bevor sie eine Chance haben, mit benachbarten Blasen zu koaleszieren und einen thermischen Runaway-Dampffilm zu bilden. Um dieses Ergebnis zu erreichen, sollte die lokale Geschwindigkeit mindestens 1,2 m/s (4 Fuß/Sekunde) und bevorzugter mehr als 2,4 m/s (8 Fuß/Sekunde) betragen. Eine solche Geschwindigkeit ist nur in dem Bereich des Spitzenwärmeflusses erforderlich, während sie in anderen Bereichen einen unnötig erhöhten Druckabfall in dem Kühlsystem verursacht. Der gewendelte Draht hilft auch dabei, die turbulente, kinetische Energie des Kühlfluids, das dort hindurchführt, zu erhöhen. Hoch-turbulente, kinetische Energie erhöht die Bildung von turbulenten Wirbeln und erhöht den Geschwindigkeitsgradienten normal zu der benetzten Oberfläche, was beides zu einer verbesserten Wärmeübertragung beiträgt. Der Innenraum oder die mit Fluid gekühlte Seite der Spitze der abgeschirmten Struktur ist gekrümmt so gebildet, dass, in Kombinationen mit einer stromlinienförmigen Strömung über die Wärmeübertragungsfläche, eine minimale Wanddicke erreicht wird. Ein minimierter, gewendelter Draht zusammen mit einer absichtlich verbundenen oder inneren Oberfläche der Abschirmungsstruktur bringt einen zusätzlichen, benetzten Bereich an einer Oberfläche, die gekühlt werden soll, mit sich und verringert die durchschnittliche Wärmeübertragungs-Leistungsdichte in diesem Bereich.
Wie in 3B dargestellt ist, kann eine Vielzahl von verlängerten, gewendelten Drähten 34 in eine Ausströmkammer 26 der Abschirmungsstruktur 22 entsprechend der anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Die gewendelten Drähte sind aus thermisch leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer, ebenso wie die Abschirmungsstruktur, gebildet. Jede Wendel der Vielzahl der gewendelten Drähte kann entweder einen kreisförmigen oder einen nicht-kreisförmigen Querschnitt, wie dies in 4A und 4B, jeweils, dargestellt ist, haben. Um die Kühlfunktion der Abschirmungsstruktur zu erhöhen und den Wärmeübertragungsbereich zu vergrößern, ist eine Vielzahl von Furchen in dem Inneren der konkaven, oberen und flachen Bodenflächen der Abschirmungsstruktur gebildet, um eine jeweilige Vielzahl von verlängerten, gewendelten Drähten anzuordnen. Jede Wendel des gewendelten Drahts ist an dem Inneren der Abschirmungsstruktur durch Hartlöten, für eine erhöhte, thermische Leitung dazwischen, befestigt. Die Anordnung der gewendelten Drähte innerhalb der Abschirmungsstruktur hängt von der Wahl des Designers ab. Wendeldrähte können von der Kante einer Wendel zu der Kante der nachfolgenden Wendel beabstandet positioniert sein. Wendeldrähte können in Reihen angeordnet sein, die radial innerhalb der Ausström- und/oder Einström kammer(n) angeordnet sind, wobei jeder Wendeldraht beabstandet von jedem benachbarten Draht angeordnet ist.
In der großen Mehrheit der CT-Röntgenstrahlen-Erzeugungsröhren wird mineralisches Öl als ein Wärmeübertragungsmedium verwendet. Das effiziente, mehrphasige Kühlen der vorliegenden Erfindung wird durch die Verwendung von SylTherm (Handelsmarke), ein spezielles Wärmeübertragungsfluid, das von der Dow Chemical Company unter diesem Handelsnamen hergestellt ist, erhöht. SylTherm ist ein modifiziertes Polydimethylsiloxan. Der Strömungsweg des Kühlfluids ist kritisch, um die Leistung der Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung zu erhöhen. Die Strömung, die durch den gewendelten Draht an der Spitze der Abschirmungsstruktur hindurchführt, muss gleichförmig um den Umfang herum sein. Irgendwelche lokalisierten "toten Stellen" mit einer verringerten Strömungsgeschwindigkeit würden ein Überhitzen davon hervorrufen, da sich schnell ein Dampffilm an den Stellen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit bildet und irgendeine weitere Wärmeübertragung in diesem Bereich beeinträchtigt. Um diesen fehlerhaften Zustand zu vermeiden, wird die Strömung symmetrisch dadurch gehalten, dass sie zuerst in eine große Einströmkammer 24 über zwei voneinander beabstandete Öffnungen von gegenüberliegenden Richtungen aus eintritt. Der Querschnitt der Einströmkammer 24 ist im Wesentlichen größer als die Spitze 31 der Abschirmungsstruktur, so dass das Fluid, das innerhalb der Einströmkammer enthalten ist, mit einem gleichförmigen Druck, verglichen mit dem Druckabfall über die Abschirmungsstruktur, vorliegt. Die Überlaufkammer 26 erfüllt eine ähnliche Funktion und gleicht den Druck darin aus. Das Fluid tritt von der Ausströmkammer 26 von zwei symmetrisch positionierten Öffnungen zu einem Flüssigkeitsreservoir hin aus. Als Folge stellen der gleichförmige Einström- und Ausströmdruck und der relativ hohe Druckabfall der Spitze der Abschirmungsstruktur sicher, dass die Strömung durch den Wendeldraht gleichförmig um den Umfang der Spitze herum vorliegt.
Ein gewisses Erwärmen findet aufgrund eines Beschusses mit sekundären Elektronen an dem konkaven Bereich der Abschirmungsstrukturen ebenso wie an der Spitze statt. Diese Energie wird durch Konvektion davon durch das Kühlfluid abgeführt, was zu einem Temperaturanstieg des Fluids führt, wenn es durch die Spitze der Abschirmungsstruktur führt. Die Flugbahn der zurückgestreuten Elektronen innerhalb der Abschirmungsstruktur ist in 5 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Dichte der Elektronen, die auf die Abschir mungsstruktur auftreffen, maximal an der Spitze der Struktur ist, was die Erhöhung der Wärmeübertragung durch die gewendelten Drähte innerhalb eines Kühlfluids, das dort hindurchführt, erfordert. Die sich daraus ergebende Erhöhung der Temperatur des Fluids, das durch die Spitze führt, ist wesentlich. Da, aufgrund des Umfangs einer Flüssigkeitsunterkühlung, die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Masse des Fluids und der lokalen Sättigungstemperatur für eine Mehrphasen-Wärmeübertragung kritisch ist, ist es erwünscht, dass das kühlste Fluid zuerst auf die Spitze der Abschirmungsstruktur auftrifft. Demzufolge tritt das Fluid in die Abschirmungsstruktur in der Art und Weise, die vorstehend angegeben ist, ein, und tritt davon aus. Das Kühlfluid tritt, nachdem es die Abschirmungsstruktur verlassen hat, in das Kühlreservoir 32, das ausströmseitig der Abschirmungsstruktur, allerdings innerhalb des Gehäuses der Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung, positioniert ist, ein, um übermäßige Fluidtemperaturen außerhalb des Schutzgehäuses zu verhindern. Die Abschirmungsstruktur wird während eines Aussetzens gegenüber den Röntgenstrahlen erwärmt und hebt demzufolge die Temperatur des Fluids während einer begrenzten Zeit an. Der Temperaturanstieg des Fluids durch die Abschirmungsstruktur würde, während eines typischen Aussetzens davon, 50 °C sein, während der Temperaturanstieg des Kühlfluids aufgrund eines Kontakts mit der luftleeren Ummantelung zwischen 5 °C und 10 °C betragen würde. Da ein Fluid-Luft-Wärmeaustauscher in dem System das Fluid auf ungefähr 15 °C, gemessen zwischen seinem Einlass und seinem Auslass, abkühlen könnte, ohne das Fluidreservoir mit der thermischen Masse zu versorgen, könnte die Fluidtemperatur zum Ende einer langen Aussetzungssequenz zu hoch werden. Wenn man die Anzahl von "Umläufen" berücksichtigt, die das Fluid durch das System während der Bestrahlungssequenz durchläuft, würde, mit einer Strömungsrate von 20 Litern pro Minute und einem gesamten Fluidvolumen von 4 Litern, das Fluid einen "Umlauf" alle 12 Sekunden vornehmen. Mit jedem Umlauf würde sich die Temperatur um einen Nettobetrag von ungefähr 40 °C bis 45 °C während der Bestrahlung erhöhen. Die Daten rechtfertigen die Lösung, ein Fluidreservoir ausströmseitig des Kühlblocks, allerdings noch innerhalb des Gehäuses der Röntgenstrahlröhre, anzuordnen, um das gesamte Fluid in dem System zu erhöhen, um die Anzahl von "Umläufen" auf höchstens einen während der längsten Bestrahlung bei maximaler Leistung zu verkürzen, um so die Temperaturvariationen des Fluids, das das Gehäuse verlässt, abzuschwächen. Die Abschirmungsstruktur liefert eine effiziente, konvektive Wärmeübertragung und fängt die zurückgestreuten Elektronen ab, was die Wärmebelastung des Anoden-Targets verringert und, als Folge, wesentlich die Strahlung außerhalb des Fokus verringert. Die Berechnungen zeigten, dass der maximale Wärmefluss der Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung ungefähr 1500 Watt/cm² an der inneren Wand der Abschirmungsstruktur (bei einer Leistung von 72 kW), ungefähr 600 Watt/cm² an dem abgeschrägten Bereich der Abschirmungsstruktur und ungefähr 350 Watt/cm² an seinem konkaven Bereich sein wird. Der flache Bereich der Abschirmung, der zu dem Anoden-Target hinweist, erhält eine kleine Menge an Energie durch thermische Strahlung von dem Anoden-Target und einen kleinen Beitrag einer Wärmebelastung aufgrund von zurückstreuenden Elektronen.
In der bevorzugten Ausführungsform wird das hohe Spannungspotenzial zwischen der Elektronenquelle und dem Anoden-Target nicht aufgeteilt, wie in herkömmlichen Anordnungen, sondern das Konzept einer Anoden-Erdung wird verwendet. Dies führt zu neuen Gelegenheiten für ein effektiveres Kühlen des Anoden-Targets. Dies beseitigt die Situation, bei der sich die luftleere Ummantelung auf demselben elektrischen Potenzial wie das Anoden-Target befindet, und die zurückgestreuten Elektronen treffen auf die luftleere Ummantelung und das Röntgenstrahlen-Fenster mit voller Energie auf. Die Abschirmungsstruktur der vorliegenden Erfindung, die sich auf Erdungspotenzial befindet, ermöglicht eine wesentliche Erhöhung in der Energie, die darin verschwindet. Die maximale Leistung der Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung beträgt ungefähr 72 kW, während ungefähr 27 kW an Leistung durch die Abschirmungsstruktur bewältigt wird. Das vorliegende Design der Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung ermöglicht eine Wärmeübertragung von der Abschirmungsstruktur auf das Kühlfluid während der Bestrahlungen. Die Abschirmungsstruktur, die zwischen der Elektronenquelle und dem Anoden-Target eingesetzt ist, schützt das Röntgenstrahlen-Fenster gegen ein zerstörendes Erwärmen, was durch die sekundären Elektronen hervorgerufen wird, und erhöht die Wärmeübertragung auf das Kühlfluid, indem der gewendelte Draht eingesetzt wird. Die konkave Form der Struktur ermöglicht eine effektive Verteilung der Energie, die durch die auftreffenden Elektronen hervorgerufen wird, über die Struktur, so dass kein Bereich eine Energiedichte größer als eine solche aufnehmen würde, die praktisch mit den Kühlmitteln, die verfügbar sind, gehandhabt werden kann.
Es sollte verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen Formen, die dargestellt sind, beschränkt ist. Modifikationen können in dem Design und den Anordnungen der Elemente vorgenommen werden, ohne die Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist, zu verfassen. Um die Leistung der Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung weiter zu erhöhen, kann eine selektive Beschichtung auf die Abschirmungsstruktur aufgebracht werden. Die konkave, obere Fläche, die zu der Elektronenquelle 16 hinweist, ist mit einem Material beschichtet, das eine niedrige Ordnungszahl besitzt, um effektiver Elektronen zu sammeln. Die Bodenfläche, die zu dem Anoden-Target 20 hinweist, ist mit einem Material beschichtet, das ein hohes Emissionsvermögen besitzt, um die Wärmeübertragung von dem Target zu erhöhen.

Claims

Röntgenstrahl-Erzeugungsvorrichtung (10), die umfasst: – eine luftleere Ummantelung (14), die in einem Behälter (32) angeordnet ist, der ein Kühlmittel enthält; – eine Anodenanordnung (18), die sich in der luftleeren Ummantelung (14) befindet, wobei die Anodenanordnung (18) ein Target (20) aufweist; – eine Elektronenquelle (16), die in der luftleeren Ummantelung (14) angebracht ist und einen Strahl von Elektronen auf eine Oberfläche des Targets (20) erzeugen kann, um Röntgenstrahlen zu produzieren; – eine Abschirmungsstruktur (22), die zwischen der Anodenanordnung (18) und der Elektronenquelle (16) angeordnet ist, wobei die Abschirmungsstruktur (22) aufweist: – einen Körper, der eine Öffnung (25) zum Hindurchlassen des Elektronenstrahls aufweist; und – wenigstens eine Fluidstromkammer (24, 26), wobei die Fluidstromkammer (24, 26) so ausgeführt ist, dass sie in Fluidverbindung mit dem Behälter (32) steht und Zirkulation des Kühlmittels in der Abschirmungsstruktur (22) gestattet, und wobei in Funktion Wärme von der Abschirmungsstruktur (22) auf das zirkulierende Kühlmittel übertragen wird; und – dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (25) so ausgebildet ist, dass sie eine Elektroneneinfangfläche (22) bildet und wenigstens ein Abschnitt der Einfangfläche (21) in einer Richtung auf die Elektronenquelle (16) zu ausgerichtet ist.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Körper der Abschirmungsstruktur (22) aus wärmeleitendem Material besteht.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Körper der Abschirmungsstruktur (22) aus Kupfer besteht.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Elektroneneinfangfläche (21) eine konkave Form hat.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Elektroneneinfangfläche (21) mit einem Material beschichtet ist, das eine niedrige Kernladungszahl hat, um das Einfangen von Elektronen an der Einfangfläche zu verbessern.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Körper der Abschirmungsstruktur (22) eine im Wesentlichen plane Bodenfläche (23) enthält, die in einer Richtung auf das Anoden-Target (20) zu ausgerichtet ist, und die plane Bodenfläche (23) mit einem Material beschichtet ist, das ein hohes Strahlungsvermögen aufweist, um die Rate der Wärmeübertragung von dem Anoden-Target (20) auf die Abschirmungsstruktur (22) zu erhöhen.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die des Weiteren eine Wärmeübertragungsvorrichtung (30) umfasst, die in der Fluidstromkammer (24, 26) angeordnet ist, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung (30) so konfiguriert ist, dass sie eine Geschwindigkeit des Kühlmittels erhöht, das in der Fluidstromkammer (24, 26) zirkuliert.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung (30) aus wenigstens einem Wendeldraht besteht.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Geschwindigkeit des Kühlmittels, das durch den Wendeldraht hindurchtritt, wenigstens 1,2 m/s beträgt.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Geschwindigkeit des Kühlmittels, das durch den Wendeldraht hindurchtritt, wenigstens 2,4 m/s beträgt.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei der Wendeldraht aus einem thermisch leitenden Material besteht.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, wobei jede Wendel des Wendeldrahtes einen kreisförmigen Querschnitt hat.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, wobei jede Wendel des Wendeldrahtes einen nicht kreisförmigen Querschnitt hat.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Abschnitt des Körpers an die Öffnung (25) angrenzend einen abgeschrägten Abschnitt enthält, der ein vorderes Ende (31) der Abschirmungsstruktur (22) bildet, und ein Wendeldraht in einem inneren Abschnitt des vorderen Endes (31) angeordnet ist, um einen Kühlmittelstrom durch den Wendeldraht zuzulassen.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Fluidstromkammer aus einer Einströmkammer (24) und einer Ausströmkammer (26) besteht.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Einströmkammer (24) und die Ausströmkammer (26) mit einem Fluidstromteiler (28) getrennt sind.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei ein Querschnitt der Einströmkammer (24) größer ist als ein Querschnitt der Ausströmkammer (26).
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 15, 16 oder 17, wobei die Einströmkammer (24) und die Ausströmkammer (26) jeweils einen Eintrittskanal und einen Austrittskanal enthalten, die so angeordnet sind, dass Kühlmittel in entgegengesetzten Richtungen durch die Kammern strömt.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Innenfläche der wenigstens einen Fluidstromkammer (24, 26) gerändelt ist, um die Kühlfläche der Innenfläche zu vergrößern und so eine Rate der Wärmeübertragung auf das Kühlmittel zu erhöhen.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Behälter (32) zwischen einem äußeren Gehäuse (12) und der luftleeren Ummantelung (14) ausgebildet ist und stromab von der Abschirmungsstruktur (22) in Fluidverbindung steht.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel ein modifiziertes Polydimethylsiloxan ist.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die des Weiteren eine Stromquelle umfasst, die elektrisch so verbunden ist, dass sie die Elektronenquelle (16) und das Anoden-Target (18) jeweils auf verschiedenen elektrischen Potentialen hält.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Anoden-Target (18) elektrisch so verbunden ist, dass es ein elektrisches Potential aufweist, das annähernd Erdpotential hat.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abschirmungsstruktur (22) elektrisch so verbunden ist, dass sie ein elektrisches Potential aufweist, das annähernd Erdpotential hat.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Anoden-Target (18) und die Abschirmungsstruktur (22) jeweils elektrisch so verbunden sind, dass sie ein elektrisches Potential aufweisen, das annähernd Erdpotential hat.
Röntgenstrahlen-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abschirmungsstruktur (22) auf einem elektrischen Potential zwischen dem Anoden-Target (18) und der Elektronenquelle (16) ist und der Wert des Potentials der Abschirmungsstruktur (22) so ausgewählt wird, dass der Gesamtstrom, der durch die Röntgenstrahl-Erzeugungsvorrichtung (10) verbraucht wird, auf ein Minimum verringert wird.
Verfahren zum Kühlen einer Röntgenstrahl-Erzeugungsvorrichtung (10) in Funktion, das die folgenden Schritte umfasst: wenigstens teilweises Anordnen einer luftleeren Ummantelung (14) in einem Behälter (32), der ein Kühlmittel enthält; Bereitstellen einer Abschirmungsstruktur (22) zwischen einer Elektronenquelle (16) und einer Oberfläche einer Anode (18), wobei die Abschirmungsstruktur (22) einen Körper mit einer Öffnung (25) aufweist, die so angeordnet ist, dass ein Elektronenstrahl von der Elektronenquelle (16) auf die Anodenoberfläche aufschlagen kann; Erzeugen des Elektronenstrahls an der Elektronenquelle (16); Zirkulieren des Kühlmittels zwischen dem Behälter und einer Fluidstromkammer (24, 26), die in der Abschirmungsstruktur (22) ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass: die Öffnung (25) so angeordnet ist, dass sie eine Elektroneneinfangfläche (21) schafft, die wenigstens teilweise in einer Richtung auf die Elektronenquelle zu ausgerichtet ist; und durch die folgenden Schritte: Einfangen wenigstens eines Teils von Elektronen, die von der Anodenfläche zurückprallen, an der Elektroneneinfangfläche (21); Übertragen durch die zurückprallenden Elektronen an der Elektroneneinfangfläche (21) erzeugter Wärme auf das Kühlmittel, das durch die Fluidstromkammer (24, 26) zirkuliert.
Verfahren nach Anspruch 27, das des Weiteren den folgenden Schritt umfasst: Anordnen wenigstens einer Wärmeübertragungsvorrichtung (30) in der Fluidkammer (24, 26) und dadurch Erhöhen der Geschwindigkeit des Kühlmittels, das in der Fluidstromkammer (24, 26) zirkuliert.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, wobei die Elektroneneinfangfläche (21) mit einer konkaven Form ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 27, 28 und 29, das des Weiteren den Schritt des Beschichtens der Elektroneneinfangfläche (21) mit einem Material umfasst, das eine niedrige Kernladungszahl hat, um das Einfangen von Elektronen von der Einfangfläche (21) zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 27, 28, 29 oder 30, das des Weiteren den Schritt des Aufbringens einer unregelmäßigen Fläche auf eine Innenfläche der Fluidstromkammer (24, 26) umfasst, um die Kühlfläche der Innenfläche zu vergrößern und so eine Rate der Wärmeübertragung auf das Kühlmittel zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 27, 28, 29, 30 oder 31, wobei der Behälter (32) zwischen einem äußeren Gehäuse (12) und der luftleeren Ummantelung (14) ausgebildet ist und stromab von der Abschirmungsstruktur (23) in Fluidverbindung steht.
Verfahren nach Anspruch 27, 28, 29, 30, 31 oder 32, das des Weiteren den Schritt des elektrischen Verbindens der Anode (18) mit Erdpotential umfasst.