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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.
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This invention relates to a rotating anode for an X-ray tube, which comprises: (a) a circular cylindrical graphite body, (b) a circular cylindrical target disk made of TZM metal, which is concentrically connected to the graphite body, (c) the target disk being a lateral surface having.
An x-ray generating device, which is referred to as an x-ray tube, usually comprises two electrodes of an electrical circuit in an evacuated chamber or tube. One of the electrodes is a thermionic emitter cathode, which is located in the tube at a distance from a target anode. When the electrical circuit is energized, the cathode is heated electrically to produce a current or beam of electrons which is directed at the target anode. The electron stream is suitably focused as a thin beam of very high speed electrons hitting the target anode surface.
The anode surface usually has a predetermined material, for example a heat-resistant metal, so that the kinetic energy of the electrons impinging on the target material is converted into very high frequency electromagnetic waves, i. H. X-rays emanating from the target and parallel
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be directed and focused, u. for entering an object, usually for the purposes of internal examinations, for example medical diagnostic procedures.
Well-known and mainly used refractory metals for the target surface area exposed to the incident electron beam include tungsten (W), molybdenum (Mo) and their many alloys for improved X-ray generation. In addition, the high-speed electron beam impinging on the target surface generates extremely high and localized temperatures in the target structure, accompanied by high internal stresses, which lead to impairment and collapse of the target structure. As a result, it has become common to use a rotating anode target which generally has a disk-like structure carried by a shaft, one side of which is exposed to the electron beam from the thermionic emitter cathode.
Due to the target rotation, the impact area of the target changes constantly in order to avoid localized heat concentration and localized stresses and to better distribute the heating effects over the entire structure. Heating remains a major problem with X-ray tube anode target structures. In the case of a rotating high-speed target, the heating must be kept within certain prescribed limits in order to control potentially destructive thermal stresses, in particular in composite target structures, and to protect the low-friction, high-precision bearings that support the target.
The target body is selected from a material with a high heat storage capacity because the majority of the heat
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Transmission via radiation from the target to the X-ray tube or housing structure must take place. For example, only about 1% of the energy of the impinging electron beam is converted into X-rays, while the rest appears as heat that must be rapidly dissipated from the target, essentially by heat radiation. Accordingly, considerable technological efforts are being made to improve the heat dissipation of X-ray tube anode target surfaces.
A preferred material for a rotating disk-like anode target is graphite (C), which has a high heat storage capacity and readily bonds with a heat-resistant metal coating or surface as a cathode electron beam impact surface. Furthermore, it is imperative that good heat dissipation is created for the combined structure of a graphite body with a heat-resistant metal surface. The rotation of targets for improved heat dissipation and radiation has progressed to target speeds of over 10,000 min-1 with elevated temperatures of 12000C and above, which conditions exacerbate possible defects associated with the metal coating or graphite body.
It is therefore a primary object of this invention to provide means for a rotating anode target structure in an x-ray tube to improve the heat dissipation and radiation properties of the target structure.
It is another object of the invention to apply external heat dissipating agents directly to the periphery of a rotating anode target structure in an x-ray tube.
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It is still another object of this invention to apply a high emissivity metal carbide coating to the peripheral edge surface of a rotating anode target in an X-ray tube.
These goals are achieved with a rotating anode of the type mentioned in the introduction, which is distinguished according to the invention in that (d) the outer surface is provided with an exposed coating of hafnium carbide, which has a heat emissivity which is higher than that of
TZM metal and increases with increasing temperature, (e) the coating having a thickness in the range from 4.0 to 5.0 µm. Has.
At this point it should be mentioned that the use of hafnium carbide as a coating material is known per se from EP 168 736, but in a different context, u. between as an overcoating of the entire target disk, in particular the focal track area, and in a layer thickness of 0.1 to 2 μm.
The coating according to the invention accelerates the heat dissipation from the target and achieves a significant reduction in the target and substrate temperatures.
According to a preferred feature of the invention, it is provided that the outer surface is roughened and that the exposed surface of the coating is accordingly rough, which increases the heat radiation even further.
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The invention will be better understood in connection with the attached drawing figure and the following description, the figure showing a cross section of a rotating anode target structure with the coating according to the invention with high emissivity on the edge of the metal target surface.
Referring to the drawing figure, a rotating anode target 10 has a thicker disc-like body 11 made of a material having a high heat storage capacity, such as graphite, and a thinner concentric circular disc-like metal target portion 12, which may be a separate disc that can be attached to the Graphite body 11 is connected for example by a brazing process. The metal target section 12 or the metal target end face is shown with one side connected to the graphite body 11.
The opposite or exposed side has a tapering circular edge region which tapers radially towards the graphite body 11 in order to form a circular
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coated layer 15, on which the electron beam impinges from the cathode emitter and which is generally referred to as the focal track of the anode structure 10. In a
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In one embodiment of the invention, layer 15 consists of a tungsten (W) rhenium (re) alloy.
The target section 12 typically contains a refractory metal such as tungsten or molybdenum or one of their many alloys. In the present invention, the target section 12 is a so-called TZM metal, an alloy which contains titanium, zirconium and molybdenum and has proven to be very resistant to the stresses generated by the electron beam bombardment during the thermal cycles.
Graphite has a relatively high heat storage capacity, but not a correspondingly high thermal conductivity, as would be required for a rapid dissipation of the heat from the interior of the substrate of the graphite body to its heat radiation surfaces. The operating temperatures of the graphite body 11 can be from about 11000C to about 14000C. Such high temperatures in connection with the high rotational speed of the target 10 lead to the generation of high stresses in the target 10 with the result of a potential target impairment and structural defects. The additional
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efficient heat dissipation path or as an efficient heat dissipation surface for the radiation of heat from the structure 10.
In order to be able to demonstrate its effect well, the coating 16 is selected from materials which have a greater heat emissivity than that
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Heat emissivity of side 12 or focal trace 15 of structure 10. A preferred coating material contains a metal compound of a metal from those of the transition metals of the periodic table, in particular that of the titanium subgroup of the transition elements, which are titanium (Ti), zirconium (Zr) and hafnium (Hf) contains. A preferred metal is hafnium and a preferred hafnium compound is hafnium carbide (HfC), which has a higher heat emissivity than TZM metal.
The HfC coating 16 is strategically located on the edge surface 14 of the target portion 12 so that it extends around the peripheral edge 14 to cover the available edge surface as much as possible, although it is not necessary for the coating 16 to have the burn trace 15 or the graphite body 11 is in contact. In this sense, the HfC coating 16 is an outer, additional and exposed metal coating of the target structure 10. In one embodiment of this invention, a
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ben can also be used profitably for the coating 16.
For example, oxides of metals such as aluminum (A1203) used with an effective carbon barrier substrate can be used as coating 16. The high emissivity of a coating 16, such as an HfC coating, accelerates heat transfer from it
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heat-resistant metal section 12 for coating 16 for the purpose of improved heat radiation. For example, temperature measurements indicate that during operation of the target structure 10 without coating 16 there is a temperature of over 1800 ° C. in the focal track region 15 of the target section 12 and of approximately 1478 ° C. at the brazed joint between the target section 12 and the graphite body 11.
In contrast, when operating the target structure 10 with a hafnium carbide coating 16, as shown in FIG. 1, temperature measurements indicated a temperature of about 17590C at the focal track area and about 14220C at the brazed joint. The effectiveness of the heat radiation from the hafnium carbide coating is further increased by roughening the edge surface of the TZM metal, so that the exposed surface of the thin HfC coating is accordingly rough or textured. In one embodiment of this invention, the base TZM surface was roughened with a sandblasting process prior to HfC coating, and the ultimately exposed surface of the HfC coating can be described as a textured relief surface, which generally corresponds to a sandblasted surface.
As an example of an embodiment of this invention
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Processes can also be used profitably, such as the chemical vapor deposition process (CVD process) or the plasma-assisted CVD process, with a corresponding one
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Masking to confine the coating 16 to the edge surface 14. The edge surface 14 is an essentially planar surface, and the sandblasting preparation step mentioned leaves the surface 14 and the coating 16 in an overall essentially planar state. The dark gray to black color of the HfC coating 16 with minimal light reflectivity supports heat dissipation.
The invention provides increased heat emissivity for rotating anode target structures, and particularly for those targets in which a heat-resistant metal target surface is bonded to a graphite body. The specifically described anode structure 10 creates an improved X-ray tube target which, because of its heat storage and heat dissipation properties, allows longer operating times before cooling is required.
Although the invention has been disclosed and described in terms of preferred embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.