Röhrenarten und Gehäuse
Die Röntgenröhre im medizinischen Einsatzbereich
Ein Vortrag von Dr. Heinrich Behner Siemens AG (Teil 4)
D. Ausführungsbeispiele (Röhrenarten)
1. Röntgenröhre mit Festanode
In diesem Röhrentyp sind alle (in Kapitel C) Kernkomponenten in einfachster Bauform Art realisiert:
Als Kathode wird eine Standardbauform verwendet (mit einer oder mehreren Wendeln, mit oder ohne Gittersteuerung).
Der Glaskolben übernimmt die Funktion der Isolation und Komponentenhalterung. …
Auf der Anode ist ein Strichbrennfleck auf dem in den Kupferträger eingelöteten Wolframtarget realisiert. Die entstehende Abwärme wird durch eine Flüssigkeitskühlung im massiven Kupferschaft nach außen abgeführt.
Durch die physikalischen Gegebenheiten der Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Materialien ist die Leistungsfähigkeit dieser Röntgenröhren beschränkt.
2. Röntgenröhre mit Drehanode
Die Kathode sitzt asymmetrisch zur Röhrenachse, um den Strichbrennfleck möglichst weit außen auf der rotationssymmetrischen Anode zu erzeugen.
Als wesentlicher Unterschied ist die Anode hier drehend gelagert, um eine gleichmäßige Verteilung der Wärme auf einer kreisförmigen Brennbahn zu erreichen – dies kann entweder durch ein herkömmliches Kugellagersystem oder ein Flüssigmetall-gelagertes Gleitlagersystem erreicht werden.
Da aus geometrischen Gründen hier keine kontinuierliche Wärmeableitung der drehenden Anode durch direkte Flüssigkühlung möglich ist, wird die Wärme zwischengespeichert und während der Röhrenkühlpause bzw. dem Patientenwechsel durch Wärmestrahlung an das umgebende Kühlmedium abgegeben.
Der Antrieb der Anode wird durch ein Rotor-Stator System realisiert (Drehstrom Asynchron-Motor), die Antriebsfrequenzen variieren zwischen 20 Hz und 300 Hz.
3. Drehkolbenröhre (Rotating Envelope Tube RET)
Das Prinzip der Drehkolbenröhre ermöglicht eine direkte, äußerst effiziente Direktkühlung eines drehenden Anodentellers. Dies wird dadurch erreicht, dass der gesamte Röhrenkolben im Kühlmedium rotiert. Die Kathode ist geometrisch auf der Drehachse angeordnet. Strahlablenkung und Strahlformung werden durch ein komplexes, mehrpoliges Spulensystem realisiert. Die Röntgenstrahlung tritt durch ein umlaufendes Röntgen-Fenster aus.
So können höchste Belastungen ohne nennenswerte Abkühlzeiten appliziert werden.
Der Röhrenaufbau selbst ist einfach, kommt vakuumseitig ohne bewegliche Teile aus und ist dadurch robust und im Betrieb extrem zuverlässig.
Die variable Elektronenstrahlsteuerung (ähnlich wie in einer Fernsehröhre, der Strahl trägt bei der Röntgenröhre allerdings fast 1 Ampere!) macht darüber hinaus einen sog. Springfokus in z-Richtung (Orientierung der Patienten-Längsachse) möglich. Durch die so realisierbaren 2 unterschiedlichen z-Projektionen konnten erstmals in der Computertomographie isotrope räumliche Auflösungen von weniger als 0,4 mm erreicht werden (z-Sharp™-Technologie).
4. Gehäuse
Allen Röhrentypen gemeinsam ist ein sog. Strahler- oder Röhrenschutzgehäuse. Die Röntgenröhre inklusive Gehäuse und darin enthaltenen Baugruppen wird Röntgenstrahler genannt. Das Gehäuse dient mehreren Zwecken:
a. Abschirmung der Leckstrahlung
Da Röntgenstrahlen im Gegensatz zu sichtbarem Licht nicht ablenkbar sind, treten sie ausgehend vom Ort der Entstehung (Fokus) radial in den kompletten Halbraum über der Anode ein. Patientennutzbar ist allerdings nur ein kleiner Ausschnitt im Strahlenaustrittsfenster bzw. Blendöffnungsbereich; der weitaus größte Teil der erzeugten Röntgenstrahlung wird in Bleiabschirmungen, die im Inneren des Strahlergehäuses angebracht sind, absorbiert.
b. Kühlung der Röntgenröhre
Die Abwärme in der Anode wird durch Abstrahlung gemäss dem Stefan Boltzmann’schen Gesetz (proportional der 4. Potenz der Temperatur) von der Oberfläche in das die Röntgenröhre umgebende Kühlöl transportiert. Im Fall des Drehkolbenprinzips erfolgt der Wärmetransport direkt durch Wärmeleitung ins Kühlöl. Dieses hochspannungsisolierende Öl wird kontinuierlich umgepumpt und die entstandene Wärme über Wärmetauscher an sekundäre Kühlsysteme abgegeben.
c. Halterung für Baugruppen
Zum sicheren Betrieb der Röntgenröhre sind eine Vielzahl von Einzelbaugruppen, wie Überwachungssensoren und –schalter, Stator zum Antrieb der Anode,
Hochspannungszuführungen, Kühlölführungen und letztendlich die präzise Halterung der Röhre selbst notwendig. Dieses wird durch entsprechendes Design innerhalb des Gehäuses ermöglicht.
Fortsetzung am nächsten Freitag
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Dr. Heinrich Behner
Siemens AG
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Clinical Products Division
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