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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drehanodenstruktur für eine Röntgenröhre, mit einem sich in einer Ebene erstreckenden Targetsubstrat, dessen Dickenrichtung senkrecht zu seiner Ebene verläuft, einer Brennspurschicht aus hitzebeständigem Metall, die auf dem Target- substrat abgelagert ist, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, und einer Zwischenschicht, die zwischen der Brennspurschicht und dem Targetsubstrat liegt, wobei das Targetsubstrat zur Gänze aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Fasergewebematerial gebildet ist.
Eine Drehanordenstruktur dieser Art ist aus der EP 0 323 366 A1 bekannt. Röntgenröhren sind zu einem grundlegenden Bestandteil medizinisch-diagnostischer Bildgebungsverfahren, medizini- scher Therapien, zahlreicher medizinischer Testverfahren und der Materialanalyseindustrie gewor- den. Typische Röntgenröhren werden mit einer rotierenden Anodenstruktur aufgebaut, um die im Brennpunkt erzeugte Wärme zu verteilen. Die Anode wird durch einen Induktionsmotor in Drehung versetzt, der einen zylindrischen Rotor aufweist, welcher in eine freitragende Achse eingebaut ist, die das scheibenförmige Anodentarget trägt, und durch eine Eisenstatorstruktur mit Kupferwicklun- gen, welche den länglichen Hals der Röntgenröhre umgibt, der den Rotor enthält.
Der Rotor der Drehanodenanordnung, der durch den den Rotor der Anodenanordnung umgebenden Stator angetrieben wird, liegt auf anodischem Potential, während der Stator elektrisch auf Masse gelegt ist. Die Röntgenröhrenkathode liefert einen fokussierten Elektronenstrahl, der über den Vakuum- spalt zwischen Anode und Kathode beschleunigt wird und beim Aufprall auf der Anode Röntgen- strahlen erzeugt.
Bei Röntgenröhrengeräten mit drehbaren Anoden weist das Target typischerweise eine Schei- be aus einem hitzebeständigen Metall wie Wolfram auf, und die Röntgenstrahlen werden durch Aufprall des Elektronenstrahles auf diesem Target erzeugt, während das Target mit hoher Ge- schwindigkeit gedreht wird. Hochgeschwindigkeitsdrehanoden können 9000 bis 11000 U/min erreichen. Die Drehung des Targets wird erreicht, indem der Rotor angetrieben wird, der auf einem Trägerschaft vorgesehen ist, welcher sich vom Target wegerstreckt.
Die Betriebsbedingungen von Röntgenröhren haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten be- trächtlich verändert. Die US-Patente Nr. 4 119 261 und Nr. 4 129 241 beziehen sich beide auf das Verbinden von Drehanoden aus Molybdän und Molybdän-Wolfram-Legierungen mit Schäften, die aus Niob und dessen Legierungen gefertigt sind. Ständige Erhöhungen der beim Röhrenbetrieb angewandten Energie haben dazu geführt, dass man bei der Targetzusammensetzung auf TZM oder andere Molybdänlegierungen übergeht, um den Targetdurchmesser und das Targetgewicht zu erhöhen, sowie auch auf die Verwendung von Graphit als Wärmesenke in der Rückseite des Target. Zukünftige Computertomographiescanner (CTs) werden in der Lage sein, die Abtastzeit von einer 1-Sekunden-Drehung auf eine 1/2-Sekunden-Drehung oder weniger zu reduzieren.
Diese Verringerung der Abtastzeit wird jedoch ziemlich sicher eine Veränderung des Designs heutiger CT-Anoden erfordern. Das aktuelle CT-Anodendesign umfasst zwei Scheiben, eine aus einem hochwärmespeicherfähigem Material wie Graphit, und eine zweite aus einer Molybdänlegie- rung wie TZM. Diese beiden konzentrischen Scheiben werden in einem Hartlötprozess miteinander verbunden. Eine dünne Schicht aus hitzebeständigem Material, wie Wolfram oder eine Wolframle- gierung, wird abgelagert, um eine Brennspur zu bilden. Eine solche Schichtkörper-Substratstruktur kann mehr als 4 kg wiegen. Bei schnelleren Scannerdrehgeschwindigkeiten erhöhen schwere Targets nicht nur die mechanische Beanspruchung der Lagermaterialien, sondern auch die Brenn- spurdurchbiegungsbewegung erhöhen, was Bildartefakte erzeugt.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine Drehanodenstruktur der einleitend angegebenen Art so aus- zugestalten, dass sie eine leichtgewichtige Konstruktion aufweist, die eine Gewebegeometrie hat, welche zu einer verhältnismässig hohen thermischen Expansion in einer Richtung in der Ebene des Targetsubstrates führt, um das Brennspurmaterial aufnehmen zu können, sowie eine verhältnis- mässig hohe Wärmeleitfähigkeit, um die Belastbarkeitsanforderungen der Brennspur zu erfüllen, und die in der Lage ist, Überbeanspruchungen aufzunehmen und Mikrorisse zu reduzieren.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Targetsubstrat, wie an sich be- kannt, eine hohe Wärmeleitfähigkeit in seiner Dickenrichtung (z-Richtung) hat, dass diese hohe Wärmeleitfähigkeit des als Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schichtkörper ausgebildeten Targetubstrates durch einen hohen Faservolumenanteil an hochfesten und mit hohen Modulen ausgestatteten Fasern bestimmt ist, wobei das in Richtung der Ebene des Targetsubstrates liegende Gewebe ein feineres Gewebe aus einer Faser mit geringer Leitfähigkeit und niedrigem Modul ist, und dass die
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Zwischenschicht eine die Beanspruchungen auf Grund unterschiedlicher Wärmedehnung zwischen dem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Targetsubstrat und der hitzebeständigen Metallbrennspurschicht abbauende Rheniumzwischenschicht ist, die vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 50-100 um hat.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rhenium- zwischenschicht durch Niederdruckplasmasprühen (LPPS) aufgebracht ist. Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal ist die Brennspurschicht, wie an sich bekannt, eine Wolfram-Rhenium- Brennspurschicht.
Vorzugsweise hat die Wolfram-Rhenium-Brennspurschicht im Rahmen der Erfindung eine Di- cke im Bereich von 200-500 um und weist nach einem weiteren Erfindungsmerkmal 5-10% Rheni- um auf.
Die vorliegende Erfindung schafft eine leichtgewichtige Targetanode aus kohlenstoffhältigen Materialien und einer hitzebeständigen Metallbrennspurbeschichtung zur Verwendung z. B. in CT- Scannern. Insbesondere werden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schichtkörpersubstrate für eine Röntgen- drehanode geschaffen, welche den Graphit der früheren Systemen ersetzen, mit Bestandteilen und Gewebegeometrien, welche zu einer verhältnismässig hohen thermischen Expansion in einer Richtung in der Ebene führen, um das Brennspurmaterial aufzunehmen, zu einer hohen Wärmeleit- fähigkeit durch die Dicke hindurch, um die Belastbarkeitsanforderungen der Brennspur zu erfüllen, und einer hohen mechanischen Festigkeit, um die Rotationsbeanspruchungen auszuhalten.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Beschichtung, die in der Lage ist, das hitzebeständige Metall der Brennspur mit der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schichtkörper-Röntgenröhrenanode zu verbinden, um Beanspruchungen auf Grund thermischer Expansionsunterschiede zwischen dem hitzebestän- digen Material und dem kohlenstoffhaltigen Material zu entlasten. Die Zwischenschicht zwischen der Brennspurschicht und dem Substrat fängt die Beanspruchungen auf Grund von Fehlanpassun- gen in der thermischen Expansion zwischen dem Anodentargetsubstrat und der hitzebeständigen Metallbrennspurschicht auf.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand von Zeichnungen, in denen Fig. 1 eine querschnittliche Darstellung eines CT-Anodentargets nach dem Stand der Technik und Fig. 2 eine querschnittliche Darstellung eines erfindungsgemässen CT- Anodentargets ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Röntgenröhren, bei welchen eine Drehanodenan- ordnung und eine Kathodenanordnung verwendet werden. Der Zweck der Erfindung besteht darin, eine leichtgewichtige Drehanode zu schaffen, die in der Lage ist, schnellere Scannerrotationsge- schwindigkeiten zu erlauben. Die leichtgewichtige Targetanode besteht bevorzugt aus kohlenstoff- hältigen Materialien, wie einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schichtkörper, und ist ein möglicher Kandi- dat für den Ersatz von verhältnismässig schweren hartverlöteten Graphitanodenkonstruktionen heutiger und zukünftiger CT-Scannersysteme.
Targets aus kohlenstoffhältigem Material haben zumindest vergleichbare thermische Leistungsfähigkeit, während sie eine beträchtliche Gewichts- reduktion im Vergleich zu bestehenden Röhrentargetprodukten erreichen.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein typisches CT-Anodentarget 10 nach dem Stand der Technik. Das gegenwärtige Design der CT-Anode 10 umfasst zwei Scheiben 12 und 14. Die eine Scheibe 14 ist aus einem stark wärmespeichemden Material, wie Graphit, und die zweite Scheibe 12 ist aus einer Molybdänlegierung, wie TZM. Diese beiden konzentrischen Schei- ben sind durch einen Hartlötprozess miteinander verbunden. Eine dünne Schicht aus hitzebeständi- gem Material, wie Wolfram oder eine Wolframlegierung, ist abgelagert, um eine Brennspur 16 zu bilden. Eine solche Schichtkörpersubstratstruktur kann über 4 kg wiegen. Bei schnelleren Scanner- rotationsgeschwindigkeiten erhöhen schwere Targets nicht nur die mechanischen Beanspruchun- gen auf den Lagermaterialien, sondern es wird auch die Durchbiegebewegung des Brennpunktes verstärkt, was Bildartefakte erzeugt.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine massgefertigte gewebte Kohlenstoff-Kohlenstoff- Schichtkörperstruktur, bzw. verstärkte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kompositfilze vor, um das Graphit- material in bestehenden CT-Scannersystemen zu ersetzen. Kohlenstoffhaltige Materialien haben bereits die gewünschten thermischen und mechanischen Eigenschaften für Röntgenapplikationen, wie ein hohes Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnis, Festigkeitskonstanz und Kriechbeständigkeit über
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einen weiten Temperaturbereich, Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Schocks, hohe Festigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit. Diese Eigenschaften sind in einem CT-Anodendesign wichtig.
Die vorliegende Erfindung schlägt die Verwendung von Webverfahren und -technologien vor, die in der Technik gut bekannt sind, angewandt auf kohlenstoffhältige Materialien, um leicht- gewichtige Anodenstrukturen zu erzielen.
Die durch die Dicke hindurchgehende hohe Leitfähigkeit des kohlenstoffhältigen Substrats der vorliegenden Erfindung wird durch einen hohen Faservolumenanteil an hochfesten und mit hohen Modulen ausgestatteten Fasern erreicht. Geeignete Materialien umfassen beispielsweise Amoco P-120 oder Produkte auf Basis der Stärke K-1100. Dampfgewachsene Kohlenstoffasern (vapor grown carbon fibers, VGCF) mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1500 W/m K und hoher Festigkeit und Steifigkeit sind ein alternatives Material für die Verstärkung in z-Richtung.
In der in der Ebene liegenden Richtung wird der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schichtkörper unter Verwendung einer Faser mit geringer Leitfähigkeit und niedrigem Modul gewebt. Rayon- Vorläufmaterialien, wie kontinuierliche Fasern oder Stoffe, haben verhältnismässig geringe Festig- keit, Elastizitätsmodule und Wärmeeigenschaften. Das sind typischerweise Parameter, die zu einem kohlenstoffhältigen Material mit verhältnismässig hoher Wärmedehnung führen.
Für CT-Anwendungen wird das Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schichtkörpermaterial behandelt und mit dem richtigen Volumen an Fasern versehen, um zumindest dieselbe thermische Leistungsfä- higkeit wie von hartgelötetem Graphit zu erzielen. Die Faser wird in z-Richtung verwoben, verdich- tet und wärmebehandelt, um eine zumindest doppelt so hohe Leitfähigkeit wie jene von Graphit in der z-Richtung zu erzielen, und eine in der Ebene liegende Leitfähigkeit grösser oder gleich jener von Graphit, u. zw. mit Hilfe von Behandlungs- und Webprozessen, die in der Technik gut bekannt sind.
Um den Einsatz von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schichtkörpern in Röntgenröhrenanwendungen zu ermöglichen, ist die Entwicklung eines anhaftenden langlebigen Brennspursystems erforderlich, Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schichtkörper, einschliesslich massgefertigter gewebter Strukturen und Kohlenstoffaserfilze, haben einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (coefficient of thermal expansion, CTE) als Brennspurmaterialien aus hitzebeständigen Metallen. Die Fehlanpas- sung in der Wärmedehnung zwischen dem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schichtkörpersubstrat und der Targetbrennspur kann zu starken Verarbeitungs- oder Betriebsbeanspruchungen und der Folge eines Abblätterns der Brennspurschicht führen.
Daher sind existierende Brennspurbeschichtungs- verfahren, auch wenn sie für Graphitanoden geeignet sind, nicht in der Lage, die Beanspruchun- gen auf Grund von Unterschieden in der Wärmedehnung zwischen kohlenstoffhältigen und hitze- beständigen Materialien abzubauen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennspurbeschichtungssystem, das das Ersetzen von Graphitmaterialien in einer CT-Anodenstruktur durch Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schichtkörper ermög- licht, was schnellere Scannerdrehungsgeschwindigkeiten erlaubt.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird die gegenwärtige Targetkonstruktion von Fig. 1 durch ein leichtgewichtigeres Substrat ersetzt, das in seiner thermischen Leistungsfähigkeit mit dem vorliegenden Target vergleichbar ist. Fig. 2 ist eine querschnittliche Darstellung eines CT- Anodentargets 18, das gemäss der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Graphitmaterial ist be- kannt dafür, dass es eine hohe Wärmespeicherkapazität und eine geringe Dichte hat. Leider hat es sich für Targets grösseren Durchmesser als untauglich erwiesen. Auf Grund der geringen mechani- schen Festigkeit von Graphit tendieren Targets mit grösserem Durchmesser dazu, unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft auseinanderzubrechen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden daher andere kohlenstoffhaltige Materialien, wie Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schichtkörper, vorgesehen, um die heutigen CT-Anodentargets 10 zu ersetzen. Wie oben beschrieben, werden diese multidirektionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff- Schichtkörper mit bestimmten thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften massgefer- tigt, um ihren Ausdehnungskoeffizienten in der in der Ebene liegenden Richtung zu erhöhen und eine hohe Wärmeleitfähigkeit durch die Dicke hindurch zu schaffen.
In Fig. 2 besteht das Anodentarget 18 aus einem solchen Kohlenstoff-Kohlenstoff- Schichtkörper 20. Eine dünne Schicht aus hitzebeständigem Metall, wie Wolfram oder Wolframle- gierung, einschliesslich Wolfram-Rhenium, ist abgelagert, um eine Brennspur 22 zu bilden. Die bevorzugte Dicke der hitzebeständigen Metallschicht 22 liegt in einem Bereich von 200 bis 500 um
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und ihre Zusammensetzung umfasst 5-10 % Rhenium. Um Spannungen auf Grund von Wärmeaus- dehnungsunterschieden zwischen dem kohlenstoffhältigen Material 20 und dem hitzebeständigen Metall der Brennspur 22 abzubauen, weist das Anodentarget 18 eine Zwischenschicht 24 auf. Die Zwischenschicht 24 bildet einen verformbaren Übergang zwischen dem kohlenstoffhaltigen Materi- al 20 und der Brennspur 22.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Zwischenschicht 24 eine Rheniumzwischenschicht auf, die eine hohe Verformbarkeit bieten kann, insbesondere wenn die Zwischenschicht eine dicke Zwischenschicht ist, merklich grösser als 10 um. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der Rheniumzwi- schenschicht bevorzugt etwa 50-100 um. Diese verhältnismässig dicke verformbare Zwischen- schicht ist in der Lage, übermässige Zugbeanspruchungen auf Grund von Wärmedehnungsunter- schieden gegenüber dem Substrat beim Abkühlen von der Ablagerungstemperatur herunter aufzu- nehmen und Mikrorisse des Brennspurbeschichtungssystems während des thermischen Zyklus zu reduzieren.
Ein anhaftendes Brennspurschichtsystem auf Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schichtkörpermaterialien wird durch jedes beliebige geeignete Verfahren gebildet, wie Niederdruckplasmasprühen (low pressure plasma spraying, LPPS), chemische Dampfablagerung (chemical vapor deposition, CVD) oder andere zufriedenstellende Methoden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfin- dung ist LPPS das Verfahren zum Bilden der anhaftenden Brennspurschichten, welche Schichten die Deckschicht (typischerweise Wolfram-Rhenium) und die Zwischenschicht (bevorzugt Rhenium) umfassen. Chemische Dampfablagerung (CVD) hat die Tendenz, hochdichte Beschichtungen zu erzeugen.
Simulierte Elektronenstrahlversuche auf CVD-beschichteten Kohlenstoff-Kohlenstoff- Schichtkörpermustern haben gezeigt, dass diese hochdichten CVD-Beschichtungen die während des thermischen Kreislaufes erzeugten thermomechanischen Beanspruchungen nicht aufnehmen können und eine gewisse Verschlechterung der Schnittstelle zwischen der Rheniumzwischen- schicht und der Deckschicht auftritt. Im Gegensatz dazu übertreffen LPPS-Beschichtungen mit einem kontrollierten Porositätsgrad von unter 2% nicht nur CVD-Beschichtungen unter gleichen thermischen Zyklusbedingungen, sondern sind auch in der Lage, dieselbe thermische Belastung wie bestehende Graphittargets auszuhalten.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird ein kohlenstoffhaltiges Material zum Aufbau leichtge- wichtiger Drehanodenstrukturen für Röntgenröhren geschaffen. Darüber hinaus wird ein Brenn- spurbeschichtungssystem für diese kohlenstoffhaltige Schichtkörper-Röntgenanoden geschaffen, das in der Lage ist, die Beanspruchungen auf Grund von Unterschieden in den Wärmeausdeh- nungskoeffizienten zwischen dem kohlenstoffhältigen Material der Anode und dem hitzebeständi- gen Metall der Brennspur abzubauen. Das Brennspurschichtsystem der vorliegenden Erfindung schafft eine Doppelschichtstruktur mit einer feinkörnigen Rheniumschicht und einer feinkörnigen Deckschicht aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung.
Fachleuten ist klar, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, welche Kohlenstoff-Kohlenstoff- Schichtkörper für CT-Targets schafft. Die erfindungsgemäss hergestellten Kohlenstoff-Kohlenstoff- Schichtkörpertargets haben vergleichbare oder bessere thermische Leistungsfähigkeit und ein um 50% verringertes Gewicht im Vergleich zu bestehenden CT-Röhrentargetprodukten.
Die Erfindung wurde im Detail unter spezieller Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausfüh- rungsformen beschrieben, aber es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen im Geist und Rahmen der Erfindung vorgenommen werden können.
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