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Diese Erfindung betrifft eine Drehanode für eine Röntgenröhre, welche aufweist : (a) einen kreiszylinderförmigen Graphitkörper, (b) eine kreiszylinderförmige Targetscheibe aus TZM-Me- tall, die konzentrisch mit dem Graphitkörper verbun- den ist, (c) wobei die Targetscheibe eine Mantelfläche aufweist.
Üblicherweise umfasst eine röntgenstrahlenerzeugende Einrichtung, die als Röntgenröhre bezeichnet wird, zwei Elektroden eines elektrischen Kreises in einer evakuierten Kammer oder Röhre. Eine der Elektroden ist eine thermionische Emitterkathode, welche in der Röhre in einem Abstand zu einer Targetanode liegt. Beim Anspeisen des elektrischen Kreises wird die Kathode elektrisch aufgeheizt, um einen Strom oder Strahl von Elektronen zu erzeugen, welcher auf die Targetanode gerichtet ist. Der Elektronenstrom wird in geeigneter Weise als dünner Strahl von Elektronen mit sehr hoher Geschwindigkeit fokussiert, welche auf die Targetanodenoberfläche auftreffen.
Die Anodenoberfläche weist üblicherweise ein vorgegebenes Material auf, beispielsweise ein hitzebeständiges Metall, so dass die kinetische Energie der auf dem Targetmaterial auftreffenden Elektronen in elektromagnetische Wellen sehr hoher Frequenz umgewandelt wird, d. h. Röntgenstrahlen, welche vom Target ausgehen und parallel
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gerichtet sowie fokussiert werden, u. zw. für das Eindringen in ein Objekt, üblicherweise für die Zwecke interner Untersuchungen, beispielsweise medizinische Diagnoseverfahren.
Gut bekannte und hauptsächlich verwendete hitzebeständige Metalle für den dem auftreffenden Elektronenstrahl ausgesetzten Targetoberflächenbereich beinhalten Wolfram (W), Molybdän (Mo) und deren viele Legierungen für eine verbesserte Röntgenstrahlenerzeugung. Zusätzlich erzeugt der auf die Targetoberfläche auftreffende Hochgeschwindigkeitselektronenstrahl extrem hohe und lokalisierte Temperaturen in der Targetstruktur, begleitet von hohen inneren Beanspruchungen, welche zu einer Beeinträchtigung und zum Zusammenbruch der Targetstruktur führen. In der Folge wurde es üblich, ein rotierendes Anodentarget zu verwenden, das im allgemeinen eine von einer Welle getragene scheibenähnliche Struktur aufweist, deren eine Seite dem Elektronenstrahl aus der thermionischen Emitterkathode ausgesetzt ist.
Auf Grund der Targetrotation verändert sich der Auftreffbereich des Targets ständig, um eine lokalisierte Hitzekonzentration und lokalisierte Beanspruchungen zu vermeiden und die Erwärmungseffekte besser über die ganze Struktur zu verteilen. Die Erwärmung bleibt ein Hauptproblem bei Röntgenröhrenanodentargetstrukturen. Bei einem rotierenden Hochgeschwindigkeitstarget muss die Erwärmung innerhalb bestimmter vorgeschriebener Grenzen gehalten werden, um potentiell zerstörende thermische Beanspruchungen insbesondere in zusammengesetzten Targetstrukturen zu kontrollieren, sowie um die Niedrigreibungs-Hochpräzisionslager zu schützen, welche das Target abstützen.
Der Targetkörper wird aus einem Material mit einer hohen Wärmespeicherkapazität gewählt, weil der Grossteil der Wärme-
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übertragung über Abstrahlung vom Target zur Röntgenröhren- oder Gehäusestruktur erfolgen muss. Beispielsweise wird nur etwa l% der Energie des auftreffenden Elektronenstrahles in Röntgenstrahlen umgewandelt, während der Rest als Wärme auftritt, die rasch vom Target dissipiert werden muss, im wesentlichen durch Wärmeabstrahlung. Demgemäss werden beträchtliche technologische Anstrengungen unternommen, um die Wärmedissipation von Röntgenröhrenanodentargetoberflächen zu verbessern.
Ein bevorzugtes Material für ein rotierendes scheibenähnliches Anodentarget ist Graphit (C), welcher eine hohe Wärmespeicherkapazität besitzt und bereitwillig eine Verbindung mit einer hitzebeständigen Metallbeschichtung oder Oberfläche als Kathodenelektronenstrahl-Auftrefffläche eingeht. Darüberhinaus ist es zwingend, dass eine gute Wärmedissipation für die kombinierte Struktur eines Graphitkörpers mit einer hitzebeständigen Metalloberfläche geschaffen wird. Die Rotation von Targets für eine verbesserte Wärmedissipation und-abstrahlung ist zu Targetgeschwindigkeiten von über 10. 000 min-1 mit erhöhten Temperaturen von 12000C und mehr vorangeschritten, wobei diese Bedingungen mögliche Defektstellen verschlimmern, die mit der Metallbeschichtung oder dem Graphitkörper verknüpft sind.
Es ist daher ein Hauptziel dieser Erfindung, Mittel für eine rotierende Anodentargetstruktur in einer Röntgenröhre zu schaffen, um die Wärmedissipations- und Wärmeabstrahlungseigenschaften der Targetstruktur zu verbessern.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, äussere wärmedissipierende Mittel direkt auf den Umfang einer rotierenden Anodentargetstruktur in einer Röntgenröhre aufzubringen.
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Es ist noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine Metallkarbidbeschichtung mit hohem Emissionsvermögen auf die Umfangsrandoberfläche eines rotierenden Anodentargets in einer Röntgenröhre aufzubringen.
Diese Ziele werden mit einer Drehanode der einleitend genannten Art erreicht, die sich erfindungsgemäss dadurch auszeichnet, dass (d) die Mantelfläche mit einer freiliegenden Beschichtung aus Hafniumkarbid versehen ist, welche ein Wärmeemis- sionsvermögen hat, das höher ist als jenes von
TZM-Metall und mit zunehmender Temperatur ansteigt, (e) wobei die Beschichtung eine Dicke im Bereich von 4, 0 bis 5, 0 um. hat.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Verwendung von Hafniumkarbid als Beschichtungsmaterial an sich aus der EP 168 736 bekannt ist, allerdings in anderem Zusammenhang, u. zw. als Uberbeschichtung der gesamten Targetscheibe, insbesondere des Brennspurbereiches, und in einer Schichtdicke von 0, 1 bis 2 um.
Die erfindungsgemässe Beschichtung beschleunigt die Wärmeabführung vom Target und erreicht eine signifikante Verringerung der Target- und Substrattemperaturen.
Gemäss einem bevorzugten Merkmal der Erfindung wird vorgesehen, dass die Mantelfläche aufgerauht ist, und dass die freiliegende Oberfläche der Beschichtung dementsprechend rauh ist, was die Wärmeabstrahlung noch weiter erhöht.
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Die Erfindung wird im Zusammenhang mit der beigeschlossenen Zeichnungsfigur und der folgenden Beschreibung besser verständlich werden, wobei die Figur einen Querschnitt einer rotierenden Anodentargetstruktur mit der erfindungsgemässen Beschichtung mit hohem Emissionsvermögen auf dem Rand der Metalltargetoberfläche zeigt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfigur weist ein rotierendes Anodentarget bzw. eine rotierende Targetstruktur 10 einen dickeren scheibenähnlichen Körper 11 aus einem Material mit hoher Wärmespeicherkapazität, wie Graphit, und einen dünneren konzentrischen kreisförmigen scheibenähnlichen Metalltargetabschnitt 12 auf, welcher eine gesonderte Scheibe sein kann, die mit dem Graphitkörper 11 beispielsweise durch ein Hartlötverfahren verbunden wird. Der Metalltargetabschnitt 12 bzw. die Metalltargetstirnseite ist mit seiner einen Seite mit dem Graphitkörper 11 verbunden dargestellt.
Die gegenüberliegende bzw. freiliegende Seite weist einen sich verjüngenden kreisförmigen Kantenbereich auf, welcher sich radial zum Graphitkörper 11 hin verjüngt, um eine kreisförmige abge-
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tallschicht 15 beschichtet, auf welche der Elektronenstrahl aus dem Kathodenemitter auftrifft und die im allgemeinen als Brennspur der Anodenstruktur 10 bezeichnet wird. In einer
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Ausführungsform der Erfindung besteht die Schicht 15 aus einer Wolfram (W)-Rhenium (Re)-Legierung.
Der Targetabschnitt 12 enthält üblicherweise ein hitzebeständiges Metall wie Wolfram oder Molybdän oder eine ihrer vielen Legierungen. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Targetabschnitt 12 ein sogenanntes TZM-Metall, eine Legierung, welche Titan, Zirkonium und Molybdän enthält und sich als sehr widerstandsfähig gegenüber den durch den Elektronenstrahlbeschuss während der thermischen Zyklen erzeugten Beanspruchungen erwiesen hat.
Graphit besitzt eine verhältnismässig hohe Wärmespeicherkapazität, aber keine entsprechend hohe Wärmeleitfähigkeit, wie sie für eine rasche Dissipation der Wärme vom Substratinneren des Graphitkörpers zu seinen Wärmeabstrahlungsoberflächen erforderlich wäre. Die Betriebstemperaturen des Graphitkörpers 11 können von etwa 11000C bis etwa 14000C betragen. Solche hohen Temperaturen in Verbindung mit der hohen Umdrehungsgeschwindigkeit des Targets 10 führen zu der Erzeugung starker Beanspruchungen im Target 10 mit dem Ergebnis einer potentiellen Targetbeeinträchtigung und struktureller Defekte. Die zusätzlichen
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effizienter Wärmedissipationsweg bzw. als effiziente Wärmedissipationsoberfläche für die Abstrahlung der Wärme von der Struktur 10.
Um ihren Effekt gut demonstrieren zu können, wird die Beschichtung 16 aus Materialien gewählt, welche ein grösseres Wärmeemissionsvermögen haben als das
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Wärmeemissionsvermögen der Seite 12 oder der Brennspur 15 der Struktur 10. Ein bevorzugtes Beschichtungsmaterial enthält eine Metallverbindung aus einem Metall von jenen der Übergangsmetalle des Periodensystems, insbesondere jenem der Titanuntergruppe der Übergangselemente, welche Titan (Ti), Zirkonium (Zr) und Hafnium (Hf) enthält. Ein bevorzugtes Metall ist Hafnium und eine bevorzugte Hafniumverbindung ist Hafniumkarbid (HfC), welches ein höheres Wärmeemissionsvermögen hat als TZM-Metall.
Die HfC-Beschichtung 16 liegt strategisch auf der Randoberfläche 14 des Targetabschnittes 12, so dass sie sich um den Umfangsrand 14 herum erstreckt, um in grösstmöglichem Masse die verfügbare Randoberfläche zu bedecken, obwohl es nicht notwendig ist, dass die Beschichtung 16 mit der Brennspur 15 oder dem Graphitkörper 11 in Berührung steht. In diesem Sinne ist die HfC-Beschichtung 16 eine äussere, zusätzliche und freiliegende Metallbeschichtung der Targetstruktur 10. In einer Ausführung dieser Erfindung wurde eine
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ben, können ebenfalls gewinnbringend für die Beschichtung 16 verwenden werden.
Beispielsweise können Oxide von Metallen wie Aluminium (A1203), die mit einem wirksamen Kohlenstoffsperrsubstrat verwendet werden, als Beschichtung 16 eingesetzt werden. Das hohe Emissionsvermögen einer Beschichtung 16, wie einer HfC-Beschichtung, beschleunigt die Wärmeübertragung von dem
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hitzebeständigen Metallabschnitt 12 zur Beschichtung 16 zum Zwecke einer verbesserten Wärmeabstrahlung. Beispielsweise geben Temperaturmessungen an, dass während eines Betriebes der Targetstruktur 10 ohne Beschichtung 16 eine Temperatur von über 1800 C im Brennspurbereich 15 des Targetabschnittes 12 und von etwa 1478 C an der Hartlötverbindung zwischen dem Targetabschnitt 12 und dem Graphitkörper 11 herrscht.
Beim Betrieb der Targetstruktur 10 mit einer Hafniumkarbidbeschichtung 16, wie in Fig. 1 gezeigt, gaben Temperaturmessungen hingegen eine Temperatur von etwa 17590C am Brennspurbereich und etwa 14220C an der Hartlötverbindung an. Die Wirksamkeit der Wärmeabstrahlung der Hafniumkarbidbeschichtung wird weiter erhöht, indem die Randoberfläche des TZM-Metalles aufgerauht wird, so dass die freiliegende Oberfläche der dünnen HfC-Beschichtung dementsprechend rauh bzw. texturiert ist. In einer Ausführung dieser Erfindung wurde die Basis-TZM-Oberfläche vor dem HfC-Beschichten mit einem Sandstrahlverfahren aufgerauht, und die letztendlich freiliegende Oberfläche der HfC-Beschichtung kann als texturierte Reliefoberfläche beschrieben werden, welche im allgemeinen einer sandgestrahlten Oberfläche entspricht.
Als ein Beispiel einer Ausführung dieser Erfindung wurde
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Verfahren können ebenfalls gewinnbringend angewandt werden, wie das chemische Dampfablagerungsverfahren (CVD-Verfahren) oder das plasmaunterstützte CVD-Verfahren, mit einer entsprechenden
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Maskierung, um die Beschichtung 16 auf die Randoberfläche 14 zu beschränken. Die Randoberfläche 14 ist eine im wesentlichen planare Oberfläche, und der angeführte Sandstrahl-Vorbereitungsschritt belässt die Oberfläche 14 sowie die Beschichtung 16 in einem insgesamt im wesentlichen planaren Zustand. Die dunkelgraue bis schwarze Farbe der HfC-Beschichtung 16 mit minimalem Lichtreflexionsvermögen unterstützt die Wärmedissipation.
Die Erfindung schafft ein erhöhtes Wärmeemissionsvermögen für rotierende Anodentargetstrukturen, und insbesondere für solche Targets, bei welchen eine hitzebeständige Metalltargetoberfläche mit einem Graphitkörper verbunden ist. Die speziell beschriebene Anodenstruktur 10 schafft ein verbessertes Röntgenröhrentarget, welches wegen seiner Wärmespeicher- und Wärmedissipationseigenschaften längere Betriebszeiten zulässt, bevor ein Kühlen erforderlich ist.
Obwohl die Erfindung im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsformen offenbart und beschrieben worden ist, versteht es sich für den Fachmann, dass verschiedenste Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne den Gedanken und den Rahmen der Erfindung zu verlassen.