CN103021761A - 用于制造x 射线阳极的方法和x 射线阳极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造X射线阳极（12）的方法，所述X射线阳极（12）包括至少在其焦点区域（10）内引入到X射线阳极基体的表面内的若干凹陷（14），其中，各凹陷（14）通过烧蚀方法引入到X射线阳极基体的表面内。在此，通过烧蚀方法在X射线阳极基体的表面内产生盲孔状凹陷（14），其中，各凹陷（14）至少基本上沿栅格状线布置。本发明此外涉及一种X射线阳极（12），所述X射线阳极（12）包括至少在其焦点区域（10）内引入到X射线阳极基体的表面内的凹陷（14），以及涉及一种所述X射线阳极（12）在X射线设备内的应用。
Description
技术领域
本发明涉及用于一种制造X射线阳极的方法以及X射线阳极，所述X射线阳极至少在它的焦点范围内具有结构化的表面。
背景技术
在产生例如用于医疗应用的X射线辐射时，通常由金属阳极材料制造的X射线阳极被加载以电子。在达到X射线阳极时，电子被强烈制动，以此一方面形成了X射线辐射（所谓的制动辐射）且另一方面产生了热量。但在被高度加速的电子到达X射线阳极时，此电子的动能的仅大约百分之一被转化为X射线辐射能。剩余的能量被几乎仅转化为热，且必须从X射线阳极被导出或辐射出。X射线阳极内的均衡的温度形式通过所产生的热功率和热传导和辐射能力确定。通常的X射线阳极主要包括由熔点高的金属或金属合金制成的或由陶瓷材料制成的X射线阳极体。X射线阳极的焦点范围即电子到达其上的位置通常由高熔点金属钨或钨/铼合金制成。
特别地，焦点区域受到高的热负荷。在形成X射线辐射时，在焦点轨迹或焦点区域上可能达到超过2500℃的温度，这导致X射线阳极的提前老化。老化的焦点区域特别地显示出由于金属组织的再结晶导致的强烈的裂纹组织（rissgefüge）和巨核生长（Riesenkornwachstum），其中随着裂纹形成的增加，X射线辐射的剂量率下降。
裂纹组织的形成例如在X射线旋转阳极（带有在100Hz至200Hz之间的典型频率的旋转阳极）的情况下解释为由于高周期温度负荷导致，其中再结晶金属组织由于快速的拉压应力序列而疲劳破坏。金属组织的疲劳破坏可甚至达到使整个颗粒或区域从焦点轨迹连接（Brennbahnverbund）脱落，以此明显降低了可获得的剂量率。X射线阳极在此情况中必须被维修或替换。
原来，将焦点区域或焦点轨迹熔合在旋转阳极体上，以因此产生固定的连接。熔合方法多年来被视作标准方法。为延长X射线阳极的使用寿命，已知通过在钨体的核边界上的氧化物分离（所谓的“Oxide DispersionStrengthening”）来提高钨焦点轨迹的强度。也已知的是，为产生耐受性的层结构而使用热喷射方法（例如，真空等离子体喷涂），其中将附加的物质在喷射燃烧器内或外熔化、熔焊或熔合，其中气体流以喷射粒子的形式被加速，且被抛射到X射线阳极的表面上。
从US 7356122B2中获得了一种方法，其中借助于电化学腐蚀方法在X射线阳极基体的表面上引入凹陷，以至少将表面在X射线阳极的焦点区域内微结构化。电化学处理的焦点区域包括离散的锥形结构，其上产生了X射线辐射的“岛面”。独立的岛面可在温度周期交替时膨胀和收缩，以此防止了金属组织的损坏和裂纹的形成。
DE 10360018A1公开了带有可受高热负荷的表面的X射线阳极。在所涉及的X射线阳极的表面上布置了限定的微裂缝，以避免在X射线阳极运行期间焦点轨迹表面的弹塑性变形和随之导致的疲劳破坏。微裂缝可在此通过不同的模式引入到表面内。此外，描述了用于制造此X射线阳极的相应的方法。
US 5629970A公开了带有焦点区域的盘形X射线阳极。在焦点区域外，X射线阳极在其背离电子束的侧上具有粗糙的表面，其中在表面上的凹陷的宽度和深度大于在X射线阳极运行期间所发射的辐射的波长。在此，US 5629970A的教导在于将凹陷分布一致地引入到表面内，以一方面保证良好的导热且另一方面保证动态重量平衡。
已知的方法中的缺点在于带有不均匀的特别是弯曲的表面的X射线阳极仅能以很高的成本费用加工而成，因为为此要求特殊的模具。此外，在弯曲的表面的边缘区内可能特别地出现尺寸偏差，这导致了昂贵且成本高的再加工。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种方法，通过该方法可快速、精确且廉价地制造带有不同的表面几何形状的X射线阳极。本发明所要解决的另外的技术问题是提供相应的可快速、精确且廉价地制造的X射线阳极。
此技术问题根据本发明记载的方法以及X射线阳极解决，其中方法的有利构造视作X射线阳极的有利构造，反之亦然。
在根据本发明的方法中，至少在X射线阳极的焦点区域内提供的凹陷通过烧蚀方法引入到X射线阳极基体的表面内，其中通过烧蚀方法在X射线阳极基体的表面内产生盲孔状的凹陷。盲孔状的凹陷此外至少基本上沿栅格状线布置。在本发明的范围内，所述盲孔状的凹陷理解为不完全穿过X射线阳极基体且至少主要地形成为圆柱形的凹陷。以此，可产生表面的“穿孔”形式，其中盲孔状的凹陷在X射线阳极运行期间作为额定断裂位置起作用。以此方式，可明显缩短X射线阳极的加工时间，因为表面的所希望的微结构化在X射线阳极运行期间基于所出现的材料应力在焦点范围内通过弹塑性成形和已限定的微破裂形成。在此，可基本上建议将盲孔状凹陷以相同或不同的直径引入到X射线阳极基体的表面内。通过沿栅格状线布置凹陷，即借助于栅格形的模式，可特别有效地最小化焦点区域内的裂纹组织，且降低材料内的应力分布。通过引入盲孔状凹陷，在X射线阳极的表面上产生了也被称为已限定的“裂纹组织”。
在用于形成凹陷的烧蚀方法中，特别是电子束或激光束的高能束以合适的烧蚀设备产生且以相应的束引导、成形和偏转被导向X射线阳极基体的表面上。在待加工的材料内的能量的量在此足够高而使得材料被蒸发且因此被切除。与例如干腐蚀的结构化方法不同，可借助于烧蚀方法也快速、精确且廉价地结构化弯曲的或不规则地形成的X射线阳极的表面，因为例如在干腐蚀中所要求的弯曲的或另外地匹配的模式等的制造被有利地取消。作为替代，仅需将待结构化的X射线阳极基体以其表面相对于所使用的烧蚀设备定向且定位。在此，可通常使用确定的烧蚀设备而无需为制造不同地形成的X射线阳极进行修改或匹配。借助于烧蚀方法，此外可特别快速且尺寸精确地也在弯曲的或不规则的表面的情况下引入带有直至50:1的纵横比的微结构，以此在实现了在制造X射线阳极时的明显的时间和成本下降。
在本发明的有利构造中建议，使得凹陷通过激光脉冲烧蚀方法特别是使用飞秒激光器、皮秒激光器和/或纳秒激光器的激光脉冲烧蚀方法，和/或通过电子束烧蚀方法引入到X射线阳基体的表面内。使用激光器来产生激光脉冲特别是超短激光脉冲实现了对使用实践中的各类材料的很精确的加工，从而不同地形成的X射线阳极基体以及由不同的材料和材料配合制成的X射线阳极基体都可无问题地被加工。使用飞秒激光器所提供的优点是所述激光器由于激光脉冲的很短的时间尺度而产生了从固态到等离子态或气态的直接过渡，即实际上越过了液态。以此，可忽略在被加工的表面的环境中的直接导热。这实现了很精确的加工，因为由于激光束在X射线阳极基体的各被加工的区域上的影响被保持为有限的影响。此外，在飞秒激光脉冲中的烧蚀深度与被吸收的激光功率指数上相关，使得烧蚀深度很精确地通过脉冲的强度可调节。同样适用于皮秒激光器的使用，其中由于更长的持续时间，取决于所使用的材料理论上可产生微小的但对于通用的使用对于界定了所产生的深度的部件区域的不明显的影响。对于不同的应用也可仅需使用相对更廉价的纳秒激光器，其中由于激光脉冲的更长的持续时间可产生对于界定了所产生的深度的部件区域的相应的更大的影响。电子能量以及射束功率在电子束烧蚀方法中可在宽的范围内变化，且因此最佳地与各X射线阳极基体或焦点范围的材料相匹配。此外，电子束烧蚀方法的使用实现了如下可能性，即通过记录散射回的电子来类似于电子显微镜地确定被加工表面的表面特性，以此实现了在原处控制制造过程且因此实现以特别高的尺寸精度制造X射线阳极。
另外的优点通过如下方式得到，即至少以基本上长方六面体形的表面凸起界定凹陷。换言之，建议将凹陷在X射线阳极内引入为使得在俯视图中在X射线阳极的表面上形成棋盘形的模式。在此，可基本上建议使得凹陷中断地或不中断地——即例如虚线的形式、点线的形式或点划线的形式——在X射线阳极的被加工的表面上走向。借助于此类棋盘状的或栅格形的模式，可特别有效地最小化焦点区域内的裂纹组织，且降低材料内的应力分布。
在本发明的另外的有利的构造中建议，使得凹陷以至少为40μm和/或至多为150μm的深度被引入到X射线阳极基体的表面内。借助于深度至少为40μm的凹陷，可特别有效地防止裂纹组织的形成，因为X射线阳极的材料也在高的热负荷或交变负荷下具有足够的空间以补偿体积变化等。以此，明显提高了X射线阳极且特别是焦点轨迹或焦点范围的寿命。与已知的以其仅可形成例如10μm至20μm的微小的腐蚀深度的腐蚀方法相比，借助于烧蚀方法可容易地以高精度和短的制造时间产生其深度直至150μm或更大的凹陷。优选地，凹陷的深度为40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm、130μm、135μm、140μm、145μm或150μm等。深度带有相应的中间值，例如50μm、51μm、52μm、53μm、54μm、55μm、56μm、57μm、58μm、59μm、60μm等。对于通常的应用，特别有利的是带有45μm至120μm之间的凹陷，特别是50μm至100μm之间的凹陷的X射线阳极，以防止裂纹组织的形成且即使在高负荷下也使焦点轨迹内的应力分布均匀化。在深度超过150μm的凹陷的情况中，在X射线阳极运行期间在凹陷内所产生的X射线辐射主要在凹陷的壁上被吸收且因此不被使用。以此，可实现的射线剂量通常降低了对应于剂量损失的值，这也通过非结构化的X射线阳极中的常规的阳极损耗体现，使得通过阳极表面的微结构化在深度超过150μm时通常不再可实现相关的优点。
在本发明的另外的有利的构造中建议，通过烧蚀方法在X射线阳极基体的表面内附加地产生缝隙形的凹陷。借助于缝隙形的凹陷，可在X射线阳极基体的组织内特别可靠地建立负荷应力和固有应力。可建议使得凹陷在横截面内至少基本上形成为矩形的或梯形的。缝隙形的凹陷可例如通过在烧蚀方法中使用的能量束相对于X射线阳极基体的表面的沿预先给定的路径的相对运动产生。
如果在X射线阳极基体的表面内引入宽度为2μm至12μm的缝隙形的凹陷，和/或如果在X射线阳极基体的表面内以使相邻缝隙形凹陷之间的距离在80μm至320μm之间的方式引入缝隙形凹陷，则得到了另外的优点。2μm至12μm之间的宽度在本发明的范围内特别地理解为2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm以及相应的中间值的宽度。80μm至320μm之间的距离在本发明的范围内特别地理解为80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、210μm、220μm、230μm、240μm、250μm、260μm、270μm、280μm、290μm、300μm、310μm或320μm以及相应的中间值的距离，所述中间值例如为101μm、102μm、103μm、104μm、105μm、106μm、107μm、108μm、109μm或110μm。通过此类定尺寸的缝隙形凹陷可特别有效地防止裂纹组织的形成，其中同时保证使得通过表面的微结构化所导致的剂量率损失最大为例如8%至10%。
在本发明的另外的有利的构造中建议，使得缝隙形的凹陷引入到X射线阳极基体的表面内而使得比例B:A≤0.1，其中B为缝隙形的凹陷的平均宽度，以μm为单位，且A为两个相邻的缝隙形的凹陷之间的平均距离，以μm为单位。通过使缝隙形的凹陷对应于前述宽度:距离的关系，可特别有效地防止裂纹组织的形成，其中同时保证通过表面的微结构化所导致的剂量率损失最大为大约8%至10%。
在本发明的另外的有利构造中建议，在X射线阳极基体的表面内引入盲孔状凹陷，使得比例A:D在1.0至3.0之间，其中A为两个相邻的盲孔状凹陷之间的距离，以μm为单位，且D为盲孔状凹陷的平均直径，以μm为单位。距离:直径的1.0至3.0之间的关系特别地理解为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、或3.0以及相应的中间值的关系。以此实现了特别有效的表面穿孔，而带有相应地精确的希望的微结构化的形成。
在本发明的特别有利的构造中建议，在X射线阳极基体的表面内引入凹陷期间使得X射线阳极基体一次或多次相对于用于执行烧蚀方法的烧蚀设备定位。以此可制造带有几乎任意地成形的表面的X射线阳极。例如，为进行微结构化且引入凹陷，X射线阳极可固定在烧蚀设备的相应的保持件内且以精细机械调节马达倾斜、移动或另外地定位。这相比于例如干腐蚀的结构化方法具有明显的优点。如果例如必须以干腐蚀方法将安装在X射线阳极上且相对于X射线阳极的其他表面倾斜7°至10°的钨焦点轨迹进行微结构化，则需要成本高昂且耗费地制造弯曲的模具。
本发明的另外的方面涉及X射线阳极，所述X射线阳极至少在其焦点区域内包括引入到X射线阳极基体的表面内的凹陷。在此，根据本发明建议使得盲孔状凹陷通过烧蚀方法引入到X射线阳极基体的表面内，其中盲孔状凹陷至少基本上沿栅格状线布置。在此，可产生表面的“穿孔”，其中栅格状的凹陷在X射线阳极的运行期间作为额定断裂位置起作用。以此方式可明显缩短X射线阳极的加工时间，因为表面的所希望的微结构化在X射线阳极运行期间基于所出现的材料应力在焦点范围内通过弹塑性成形和已限定的微破裂形成。在此，可基本上建议将盲孔状凹陷以相同或不同的直径引入到X射线阳极基体的表面内。通过沿栅格状线布置凹陷，即借助于栅格形的模式，可特别有效地最小化焦点区域内的裂纹组织，且降低材料内的应力分布。通过引入盲孔状凹陷，在X射线阳极的表面上产生了也被称为限定的“裂纹组织”。借助于烧蚀方法可快速、精确且廉价地制造X射线阳极，其中X射线阳极或其焦点区域是否是弯曲的或不规则地成形的是无关紧要的。此外，由此得到的优点从根据本发明的方法的前述描述中得到。
在本发明的有利构造中建议，使得凹陷的至少一个主要部分的宽度在2μm至12μm之间，和/或深度在40μm至150μm之间，和/或距离在80μm至320μm之间。以此，在运行期间在X射线阳极的组织内的固有应力可被特别地有效地降低或事先避免。这降低了裂纹状缺陷的扩展的驱动力，且因此涉及焦点轨迹寿命的明显延长。由给出的尺寸所导致的剂量率损失相对于通常的无结构化表面的X射线阳极在此最大为8%至10%，且因此处于可容许的范围内。
另外的优点在于使X射线阳极包括具有1.0至3.0之间的比例A:D的盲孔状凹陷，其中A为两个相邻的盲孔状凹陷之间的距离，以μm为单位，且D为盲孔状凹陷的平均直径，以μm为单位。借助于烧蚀方法可实现的高的纵横比与现有技术相比允许了制造“穿孔”的类型，其中孔距离优选地为孔直径的两倍。以此，可特别快速地制造X射线阳极，因为在焦点轨迹运行中通过在作为额定断裂位置起作用的盲孔状凹陷上的裂纹形成，形成了取决于凹陷的分布模式的微结构化表面。
另外的优点在于将X射线阳极形成为X射线旋转阳极。以此，X射线阳极与根据本发明制造的凹陷相结合具有特别长的寿命，且此外实现了与在固定阳极的情况中直至阳极材料熔融时的辐射强度相比更高的辐射强度。
本发明的另外的方面涉及通过根据前述实施例的方法可获得的X射线阳极和/或根据前述实施例中之一的X射线阳极在X射线设备内的使用。由此所得到的优点，特别是在可实现的成本降低方面和同时明显延长的X射线阳极的寿命方面的优点从前述描述中可得到。
附图说明
本方面的另外的特征从权利要求、实施例中以及根据附图得到。在描述中的前述特征和特征组合以及在下文中在实施例中所述的特征和特征组合不仅以各给出的组合中而且也以另外的组合可使用，而不离开本发明的范围。各图为：
图1示出了带有盲孔状凹陷的X射线阳极的焦点区域的示意性俯视图，和
图2示出了带有缝隙形凹陷的X射线阳极的焦点区域的示意性俯视图。
具体实施方式
图1示出了X射线阳极12的焦点区域10的示意性俯视图，其中借助于烧蚀方法可引入形式为盲孔状凹陷14的微结构化。凹陷14的深度在50μm至100μm之间，且沿栅格状直线布置，使得在原理上得到在图2中所示的棋盘状的模式。由于借助于烧蚀方法可实现的纵横比，可因此作为图2中所示的缝隙形凹陷14的替代，产生棋盘状的模式的岛状表面凸起16的边缘的“穿孔”的形式。相邻的盲孔状凹陷14之间的距离在所示的实施例中大致为凹陷14的孔径的二倍。由此，可明显缩短X射线设备10的加工时间，因为在X射线阳极12的运行中，在焦点区域10内，在图2中所示的棋盘状的模式通过在作为额定断裂位置起作用的凹陷14上的裂纹形成而自身形成。
图2示出了X射线阳极12的焦点区域10的示意性俯视图，其中借助于烧蚀方法引入了形式为缝隙形凹陷14的微结构化。X射线阳极12在本示例中形成为旋转阳极，且包括由耐热的钼合金制成的阳极基体（未示出）。焦点区域10则由钨制成。但基本上也可提供另外的材料或材料配合。例如，整个X射线阳极12可由钨或钨合金制成。凹陷14的深度在50μm至100μm之间，且宽度在3μm至10μm之间，且形成为棋盘状栅格的形式。相邻的平行地延伸的凹陷之间的距离在100μm至300μm之间，使得比例B:A最大为0.1，其中B是缝隙形凹陷的宽度，单位为μm，且A是两个相邻的缝隙形凹陷之间的距离，单位为μm。此比例保证在凹陷14内失去的X射线辐射部分不大于在常规的X射线阳极中通过由于阳极损耗导致的通常的剂量损失所体现的X射线辐射部分。应认识到的是凹陷14基本上界定了长方六面体形的表面凸起16，所述表面凸起16在X射线阳极12的运行期间可膨胀到凹陷14内。由于超过40μm的凹陷的深度，可特别地有效地防止裂纹组织的形成且降低钨组织内的固有应力。这降低了用于形成且扩展裂纹状的缺陷的驱动力，且涉及焦点轨迹寿命且因此X射线阳极12的寿命的明显延长。由所示的微结构化所导致的相对于通常的带有非结构化的焦点区域的X射线阳极的剂量率损失在此通常大致6%且最大10%。烧蚀设备的使用在此一方面允许了特别精确、快速且廉价地制造凹陷14，且另一方面允许制造具有超过40μm的深度的凹陷14。
在本文中给出的用来限定用于表征本发明的事实的特定特征的过程和测量条件的参数值也在偏离的情况下——例如由于测量方法、系统误差、称重误差、DIN公差等所导致——视作被本发明的范围所包括。
Claims (14)
1.一种用于制造X射线阳极（12）的方法，所述X射线阳极（12）包括至少在它的焦点区域（10）内引入到X射线阳极基体的表面内的若干凹陷（14），其中，各凹陷（14）通过烧蚀方法引入到X射线阳极基体的表面内，其特征在于，通过烧蚀方法在X射线阳极基体的表面内产生盲孔状凹陷（14），其中，各凹陷（14）至少基本上沿栅格状线布置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹陷（14）通过超短激光脉冲，特别是通过飞秒激光器、皮秒激光器和/或纳秒激光器，和/或通过电子束烧蚀方法引入到X射线阳极基体的表面内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述凹陷（14）至少基本上限定了长方六面体形表面凸起（16）的边界。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述凹陷（14）以至少40μm的深度和/或以至多150μm的深度引入到X射线阳极基体的表面内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，通过烧蚀方法附加地在X射线阳极基体的表面内产生缝隙形凹陷（14）。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将缝隙形凹陷（14）以2μm至12μm之间的宽度引入到X射线阳极基体的表面内，和/或将缝隙形凹陷（14）以使相邻缝隙形凹陷（14）之间的距离在80μm至320μm之间的方式引入到X射线阳极基体的表面内。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，将缝隙形凹陷（14）这样地引入到X射线阳极基体的表面内，使得比例B:A≤0.1，其中，B是所述缝隙形凹陷（14）的平均宽度，以μm为单位，且A是两个相邻的缝隙形凹陷（14）之间的平均距离，以μm为单位。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，将盲孔状凹陷（14）这样地引入到X射线阳极基体的表面内，使得比例A:D在1.0至3.0之间，其中A是两个相邻的盲孔状凹陷（14）之间的距离，以μm为单位，且D是盲孔状凹陷（14）的平均直径，以μm为单位。
9.根据权利要求1至8中一项所述的方法，其特征在于，X射线阳极基体在将所述凹陷（14）引入到X射线阳极基体的表面内期间一次或多次相对于用于执行烧蚀方法的烧蚀设备定位。
10.一种X射线阳极（12），所述X射线阳极（12）至少在它的焦点区域（10）内包括引入到X射线阳极基体的表面内的若干凹陷（14），其中，所述凹陷（14）通过烧蚀方法引入到X射线阳极基体的表面内，其特征在于，通过烧蚀方法在X射线阳极基体的表面内引入盲孔状凹陷（14），其中盲孔状凹陷（14）至少基本上沿栅格状线布置。
11.根据权利要求10所述的X射线阳极（12），其特征在于，凹陷（14）的至少一个主要部分具有在2μm至12μm之间的宽度，和/或40μm至150μm之间的深度，和/或80μm至320μm之间的距离。
12.根据权利要求10或11所述的X射线阳极（12），其特征在于，此盲孔状凹陷（14）包括在1.0至3.0之间的比例A:D，其中A是两个相邻的盲孔状凹陷（14）之间的距离，以μm为单位，且D是盲孔状凹陷（14）的平均直径，以μm为单位。
13.根据权利要求10至12中一项所述的X射线阳极（12），其特征在于，所述X射线阳极（12）形成为X射线旋转阳极。
14.一种通过根据权利要求1至9中任一项所述的方法获得的X射线阳极（12）在X射线设备内的应用，和/或根据权利要求10至13中任一项所述的X射线阳极（12）在X射线设备内的应用。
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