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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein eine Röntgenanode
und im Besonderen eine Röntgenanode,
zu der zwischen dem Substrat und dem Targetmaterial angeordnete
Materialschichten gehören,
die gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen.
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Hintergrund
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In
der mit medizinischer Bildgebung befassten Industrie besteht der
Wunsch, einer steigenden Nachfrage von Kunden nach kürzeren Scanzeiten
für Computertomographie-(CT)-Röntgenscanner zu entsprechen.
Um die kürzeren
Scanzeiten zu erreichen, werden die Drehgeschwindigkeiten, mit denen
die Röntgenröhre auf
dem CT-Scanner um eine Gantry rotiert, ständig gesteigert, und die auf
das Targetmaterial auf der Anode gelenkte Augenblicksleistung der Röntgenröhre muss
erhöht
werden, um den Röntgenfluss
beizubehalten. Um diese beiden Bedingungen zu erfüllen, muss
der Targetdurchmesser auf der Anode innerhalb der zulässigen Konstruktionsgrenzvorgaben
maximiert und die Anodenrotationsgeschwindigkeit erhöht werden,
um zu ermöglichen, dass
das Target den hohen Leistungen standhält, die wegen der kürzeren Scanzeiten
erforderlich sind.
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Mit
der Erhöhung
der Drehgeschwindigkeit der Röntgenröhre auf
dem CT-Scanner um eine Gantry steigen die auf die Anodenlager wirkenden
hertzschen Kräfte
sehr stark an. Außerdem
führt die
Erhöhung
der Leistung an der Anode zu einer Steigerung der örtlichen
Temperatur auf dem Target der Anode und zu einem größeren Temperaturgefälle an der
Anode hinweg. Die zur Konstruktion einer Anode verwendeten herkömmlichen
Materialien begrenzen die zulässige
Last und Leistung, denen die Anode unterworfen werden kann. Die
Parameter (Targetdurchmesser und Anodenrotationsgeschwindigkeit)
sind daher durch eine überschüssige Masse,
beispielsweise aufgrund der Verwendung eines massiven Targetmaterials,
oder durch eine unzureichende Bruchfestigkeit des auf der Anode
angeordneten Targetmaterials beschränkt. Die überschüssige Masse erhöht die Belastung
der Anodenlager; es besteht daher ein Bedarf nach einem leichteren
Targetmaterial. Die örtlich
auftretende Temperatur und das Temperaturgefälle reduzieren die Bruchfestigkeit;
es besteht daher ein Bedarf nach einer Anode, die durch eine Steigerung
ihrer Festigkeit (Bruchfestigkeit) weniger empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen
ist.
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Das
US-Patent 6 554 179 lehrt ein Verfahren, bei dem ein aus höchstschmelzenden
Metallen gefertigtes massives Targetmaterial mit einem Kohlenstoffverbundstoff
reaktionshartgelötet
wird, um Phasenstabilität
zwischen den Materialien zu erzielen, und um eine hohe Wärmeleitfähigkeit
zum Abführen der
auf dem Targetmaterial örtlich
hervorgerufenen Erwärmung
zu erreichen. Um eine Schicht zu bilden, auf die die massive höchstschmelzende
Metalllegierung hartgelötet
werden kann, wird auf Graphit oder Kohlenstoffverbundstoff eine
Schlammbeschichtung aufgetragen, die reaktive Metallkarbide, höchstschmelzende
Metallboride und Metallpulver enthält. Das Targetmaterial ist
basierend auf massiven höchstschmelzenden
Metalllegierungen aus Wolfram (W) oder Molybdän (Mo) hergestellt. Das kohlenstoffartige
Material weist bevorzugt einen zu dem Targetmaterial passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, da es andernfalls bei den zu erwartenden Temperaturschwankungen
zu großen
Spannungen zwischen den Materialien kommen würde. Das massive Targetmaterial
erhöht
das Gewicht der Anode beträchtlich
und steigert daher die Gesamtdichte der Anode. Weiter werden vielfältige Verfahren
zum Herstellen der Schlammbeschichtung vorgeschlagen, einschließlich von
Verfahren zum Auftragen des Schlamms auf der Röntgenanode. Außerdem werden
für die
Bindung der vielfältigen
höchstschmelzenden
Metalle an den kohlenstoffhaltigen/kohlenstoffartigen Träger Temperaturen
und Zeitspannen der Wärmebehandlung
vorgeschlagen.
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Es
wäre daher
wünschenswert
eine Röntgenanode
zu schaffen, die eine größere Bemessung des
Targetdurchmessers und höhere
Anodenrotationsgeschwindigkeiten erlaubt, indem eine leichtgewichtige
Anode konstruiert wird, die aus Materialien ausgebildet ist, die
hohe Festigkeit (Bruchfestigkeit), hohe Wärmeleitfähigkeit und geringere Spannungen zwischen
den Materialschichten aufweisen, während sie gleichzeitig die
Phasenstabilität
in dem Targetbereich über
die Lebensdauer der Anode hinweg sicherstellen.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Röntgenanode für den Einsatz
in einer Röntgenröhre. Die Röntgenanode
weist ein Substratmaterial, ein Targetmaterial und eine oder mehrere
gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisende Materialschichten auf. Das Targetmaterial wird an die
eine oder die mehreren Schichten gebunden, die auf gradierte (d.h.
abgestufte) Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE
= Coefficient of Thermal Expansion) aufweisenden Material basieren,
und die Schichten, die aus gradierte CTE-Werte aufweisendem Material
aufgebaut sind, werden an das Substratmaterial gebunden.
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Ein
erstes Verfahren zum Herstellen einer Röntgenanode beinhaltet die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats, das einen Targetort aufweist, Beschichten
des Targetorts des Substrats mit einer Schlammmischung, um ein oder
mehrere gradierte CTE Materialschichten zu bilden, Trocknen der
Beschichtung und Abscheiden eines Targetmaterials auf der äußersten
Oberfläche
der einen oder mehreren Schichten aus gradierte (abgestufte) CTE-Werte aufweisendem
Material. Das Targetmaterial, die Materialschichten und das Substratmaterial
werden anschließend
erhitzt, um diese aneinander zu binden.
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Ein
zweites Verfahren zum Herstellen einer Röntgenanode beinhaltet die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats, das einen Targetort aufweist, Beschichten
des Targetorts des Substrats mit einer Schlammmischung, um ein oder
mehrere gra dierte CTE Materialschichten zu bilden, Sintern der Beschichtung,
Abscheiden eines Targetmaterials auf der äußersten Oberfläche der
einen oder mehreren aus gradierte CTE-Werte aufweisendem Material aufgebauten
Schichten, und anschließendes
Erhitzen, um das Targetmaterial, die Materialschichten und das Substratmaterial
zu binden.
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Ein
Vorteil der Erfindung basiert darauf, dass sich eine geringere Gesamtdichte
für die
Anode erzielen lässt.
Hierdurch wird ermöglicht,
die Anode mit einem größeren Durchmesser
zu bemessen, ohne die Lager zu überlasten.
Darüber
hinaus kann das mit einem großen
Durchmesser bemessene, leichtgewichtige Target in Drehgeschwindigkeitsbereichen betrieben
werden, die sehr viel höher
sind als diejenige herkömmlicher
Anoden, da die Anode gezielt daraufhin konstruiert ist, um den durch
die Belastung verursachten höheren
Zug- und Druckspannungen zu widerstehen. Außerdem reduziert der chemische Aufbau
der gradierte CTE-Werte aufweisenden Materialschichten die Wahrscheinlichkeit
der Bildung unerwünschter
Strukturen, beispielsweise einer Wolframkarbidformation, und verbessert
damit die Zuverlässigkeit
der Anode über
deren Lebensdauer hinweg. Außerdem
sind die Haftung und Zuverlässigkeit
des Targets während
der Lebensdauer der Röntgenröhre verbessert,
indem die Schlammmischungsschichten mit unterschiedlichen CTE-Werten
abgestuft sind, so dass sogar ein Substrat mit einem sehr geringen
oder einem hohen CTE dennoch in der Lage ist, das auf der Basis
höchstschmelzender
Metalle gefertigte Target unbeschädigt festzuhalten.
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Andere
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und
der beigefügten
Patentansprüche.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine geschnittene Teilansicht einer Röntgenanode, gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine geschnittene Teilansicht einer Röntgenanode, gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
ein Verfahren zur Herstellung einer Röntgenanode, gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4 zeigt
ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Röntgenanode, gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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In
den folgenden Figuren werden für
die Veranschaulichung übereinstimmender
Komponenten in den vielfältigen
Ansichten dieselben Bezugszeichen verwendet. Die vorliegende Erfindung
ist anhand einer Computertomographievorrichtung beschrieben. Dem
Fachmann wird allerdings klar sein, dass die vorliegende Erfindung
für mehrerer
Anwendungen innerhalb des Gebietes der medizinischen Bildgebung und
außerhalb
des Gebiets der medizinischen Bildgebung geeignet ist. Mit anderen
Worten, die vorliegende Erfindung eignet sich allgemein für Anwendungen,
die rotierende Röntgenanoden
verwenden. Die vorliegende Erfindung eignet sich ferner für Anwendungen,
bei denen eine statische Röntgenanode benötigt wird,
die ein Substratmaterial aufweist, dessen physikalische Eigenschaften
sich von dem Targetmaterial unterscheiden.
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Mit
Bezugnahme auf 1 ist eine geschnittene Teilansicht
einer Röntgenanode 10 veranschaulicht,
die ein Substratmaterial 12 und ein Targetmaterial 14 aufweist,
die über
einer oder mehreren Schichten 16 verbunden sind, die auf
gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
(CTE) aufweisendem Material basieren. Obwohl eine Röntgenanode 10 veranschaulicht
ist, ist die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf andere Arten von Röntgenanoden
anwendbar, die in Röntgenröhren zu
verwenden sind.
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Das
Substratmaterial 12 dieses Ausführungsbeispiels basiert auf
einem kompatiblen Material, das geeignet ist, ein höchstschmelzendes
Metall zu tragen, das in einer Röntgenano denanwendung verwendet
wird. Das Substratmaterial 12 wird mit Blick auf dessen
Festigkeit in Umfangsrichtung ausgewählt. Wie für einen in der Technologie
von Röntgenanoden
bewanderten Fachmann offensichtlich, weist das Substratmaterial 12 eine
hauptsächlich
in Richtung durch die Dicke hindurch maximierte Wärmeleitfähigkeit
auf. Bei der Auswahl des Materials werden weitere Eigenschaften
berücksichtigt,
beispielsweise eine geringe Dichte und ein relativ hohes Emissionsvermögen. Obwohl
nicht unbedingt erforderlich, ist das Substratmaterial 12 im Idealfall
aus einem leichtgewichtigen Material hergestellt. Das Substratmaterial 12 kann
auf einem Verbundstoff oder einem monolithischen Material basieren.
Abhängig
von dem für
das Substratmaterial 12 ausgewählten Material, kann dieses
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
(CTE) zwischen 0 und 1 × 10–6/° C und bis
zu 9 × 10–6/° C aufweisen.
Der CTE des Substratmaterials ist nicht kritisch und kann einen
beliebigen Wert aufweisen. Der CTE des Substratmaterials wird verwendet,
um den gewünschten
CTE für
jede der gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Schichten zu bestimmen, die verwendet werden, um das
Substrat an das Target zu binden.
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Das
Substratmaterial 12 kann ein kohlenstoffhaltiger/kohlenstoffartiger
oder Kohlenstofffaserwerkstoff sein. Außerdem kann das auf Kohlenstoff basierende
Substratmaterial 12 eine gewebte Struktur aus hohe Festigkeit
aufweisenden Kohlenstofffasern sein, die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
in der Ebene der Targetvorderseite aufweisen. Alternativ ist das
auf Kohlenstoff basierende Substratmaterial 12 maßgeschneidert,
um einen gewebten Verbundstoff mit einer maximalen Festigkeit in
Umfangsrichtung aufzuweisen, in dem Fasern hoher Festigkeit zylindrisch
verwebt werden, und um eine maximale Wärmeleitfähigkeit in der durch die Dicke
verlaufenden Richtung und in radialer Richtung zu erzielen, indem
in diese Richtungen Fasern mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorhanden sind. Es
kommen auch andere kohlenstoffartige Materialien als Substratmaterial 12 in
Betracht, beispielsweise Graphit, pyrolytisches Graphit, faserverstärktes pyrolytisches
Graphit und Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe.
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Weiter
wird das Substratmaterial 12 zubereitet, um als eine Röntgenanode 10 verwendet
zu werden und weist dafür
eine zwischen einer ersten Position 13 und einer zweiten
Position 15 zubereitete Fläche auf, die geeignet ist,
ein oder mehrere gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisende Materialschichten 16 und ein Targetmaterial 14 an
sich zu binden. Der Targetort oder die Targetfläche zwischen einer ersten Position 13 und
einer zweiten Position 15 ist im Wesentlichen als eine
ebene Fläche mit
einer niedrigen Seitenwand gezeigt, wobei die ein oder mehreren
gradierte (d.h. abgestufte) Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten 16 unmittelbar benachbart
zu dem Substratmaterial 12 an der ersten Position 13 angeordnet sind.
Alternativ kann die zwischen einer ersten Position 13 und
einer zweiten Position 15 angeordnete Oberfläche des
Substratmaterials 12 eine im Wesentlichen ebene Fläche sein.
Außerdem
müssen
die gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten 16, obwohl dies in diesem Ausführungsbeispiel
anders dargestellt ist, nicht unmittelbar benachbart zu dem Substratmaterial 12 an der
ersten Position 13 angeordnet sein. Allerdings ist die
erste Schicht 17 der einen oder mehreren gradierte Wärmeaus dehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten 16 zwischen der ersten Position 13 und
der zweiten Position 15 an das Substratmaterial 12 gebunden.
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Das
Targetmaterial 14 dieses Ausführungsbeispiels ist basierend
auf höchstschmelzenden
Metallen hergestellt, die sich für
den Einsatz in einer Röntgenanodenanwendung
eignen. Das Targetmaterial 14 kann aus elementarem Wolfram
oder elementarem Molybdän
hergestellt werden. Das Targetmaterial 14 kann aus einer
Molybdänlegierung,
beispielsweise TZM oder TZC (z.B. 99 % Mo und 1 % Ti + Zr + C) hergestellt
werden. Außerdem
kann das Targetmaterial 14 auf der Basis einer Wolframlegierung
hergestellt werden, die eine gewisse Menge Rhenium Re enthält (beispielsweise
95 % Wolfram und 5 % Re). Diese mono- oder polykristallinen Materialien weisen
gewöhnlich
Wärmeausdehnungskoeffizienten
im Bereich von 4 bis 6 × 10–6/° C auf. Das Targetmaterial 14 wird
an die eine oder mehreren gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten 16 gebunden.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann das Targetmaterial 14 durch die Verwendung chemischen
Aufdampfens (CVD = Chemical Vapor Deposition), physikalischen Aufdampfens
(PVD = Physical Vapor Deposition) oder Niederdruckplasmasprühen (LPPS
= Low Pressure Plasma Spray) hergestellt werden, um die Legierung
oder das elementare höchstschmelzende
Metall an die Wärmeausdehnung
aufweisenden Materialschichten 16 zu binden, die an das
Substratmaterial 12 der Röntgenanode 10 gebunden
sind. Ein leichtgewichtiges Target wird erzielt, indem von CVD-,
PVD- oder LPPS-Verfahren verwendet werden, um einen leichten Verbundstoff
oder ein leichtes monolithisches Material (das der Anode eine geringere
Gesamtdichte verleiht) auf dem Targetmaterial 14 auszubilden, was
im Ergebnis die für
eine maximale Bruchfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit maßgeschneiderte Röntgenanode
hervorbringt, während
gleichzeitig die gewünschten
Eigenschaften geringerer Zug- und Druckspannung durch Temperaturschwankungen
erreicht werden, die in deren bestimmungsgemäßen Betrieb ohne Berücksichtigung
des CTE zu erwarten sind. Die geringere Gesamtdichte der Röntgenanode erlaubt
es, die Konstruktionsgrenzvorgaben mit Blick auf eine höhere Leistung
zu erweitern.
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Alternativ
kann das Targetmaterial 14 basierend auf einem massiven
mono- oder polykristallinen Material hergestellt werden, was zu
einer Verbesserung der Festigkeit der Röntgenanode 10 führt, nachdem
diese an die Wärmeausdehnung
aufweisenden Materialschichten 16 gebunden ist, indem die
Anode widerstandsfähiger
gegen die Zug- und Druckspannungen gestaltet wird, die durch thermische
Veränderungen
ohne Berücksichtigung
des CTE der Materialschichten hervorgerufen werden.
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Die
gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten 16, die das Substratmaterial 12 an
das Targetmaterial 14 binden, werden basierend auf einer
Schlammmischung hergestellt. Die in diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung verwendeten gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten 16 weisen drei Schichten
auf, d. h. eine erste Schicht 17, eine zweite Schicht 18 und
eine dritte Schicht 19. Obwohl drei Schichten gezeigt sind, kommen
auch eine einzelne oder mehrere Schich ten in Betracht. Die Schlammmischung
enthält
in einer beliebigen Kombination Materialien, zu denen, jedoch ohne
darauf beschränken
zu wollen, Wolfram, Wolframboride, Wolframkarbide, Molybdän, Molybdänboride,
Molybdänkarbide,
Zirconium, Hafnium, Hafniumkarbide, Bindemittel oder andere Materialien gehören, wie
sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die höchstschmelzenden
Metalle und deren am Aufbau beteiligten Karbide und Boride werden
gewöhnlich
in der Schlammmischung als feine suspendierte Pulver (gewöhnlich mit
einer Partikelgröße kleiner
als 50 μm)
bereitgestellt. Anschließend
werden der Schlammmischung in ausreichenden Mengen Kohlenstofffasern
hinzugefügt,
um einen gewünschten
CTE zu erreichen. Für
jede gradierte Schicht 17, 18, 19 werden
unterschiedliche Schlammmischungen mit anderen CTE-Werten ausgebildet.
Der der Schlammmischung hinzugefügte
Kohlenstoff kann in Form von zerhackten Kohlenstofffasern, Kohlenstofffasern
oder anderen Materialien vorliegen, die die gewünschten Eigenschaften zum Erhöhen oder
Vermindern des CTE aufweisen. Insbesondere kann der Wärmeausdehnungskoeffizient
der Schlammmischung für
jede getrocknete Schicht in der einen oder den mehreren gradierte
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten 16 variiert werden, indem
der Anteil an Kohlenstofffasern in der Mischung erhöht oder
verringert wird, d. h. der Schlüssel
zum Staffeln/Gradieren des Ausdehnungskoeffizienten basiert auf
einem Verändern
des Gehalts an Kohlenstofffasern in der Schlammmischung für jede der
gradierten Schichten.
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Die
Kohlenstofffasern können
beliebiger Gestalt sein, einschließlich zerhackter und faseriger Kohlenstofffasern.
Die Kohlenstofffasern können
zerhackte Pechfasern sein, die einen CTE entlang der Faserachse
im Bereich von 0 bis 1 × 10–6/° C aufweisen.
Die Kohlenstofffasern können
der Schlammmischung nach Bedarf hinzugefügt werden, um den gewünschten
Wärmeausdehnungskoeffizienten
zu erreichen. Beispielsweise können
die Kohlenstofffasern im Falle einer Wärmeausdehnung aufweisenden
Materialschicht 16 mit drei Schichten in Volumenanteilen
von 67 %, 50 % bzw. 33 % für
drei Schichten der Schlammmischung hinzugefügt werden. In einem anderen
Beispiel mit lediglich zwei Wärmeausdehnung
aufweisenden Materialschichten können
die Kohlenstofffasern in Volumenanteilen von 67 % und 33 % hinzugefügt werden.
Selbstverständlich
wird das Volumen der jeder Schicht hinzugefügten Kohlenstofffasern von
der gewünschten
CTE der jeweiligen Schicht abhängen.
Die vorliegenden Ausführungsbeispiele
ermöglichen
eine Schicht 16 mit gradierten/abgestuften CTE-Werten.
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Die
eine oder mehreren gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten 16 werden nacheinander an
das Substratmaterial gebunden. Insbesondere wird die erste Schicht 17,
wie in diesem Ausführungsbeispiel
gezeigt, zwischen der ersten Position 13 und der zweiten
Position 15 an das Substratmaterial 12 gebunden.
Die dritte Schicht 19 wird an die zweite Schicht 18 gebunden,
die an die erste Schicht 17 gebunden ist. Darüber hinaus
kann jede der Schichten 17, 18, 19 ausgehend
von der Substratoberfläche
horizontal geschichtet werden.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist jede der gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten einen angenäherten Wärmeausdeh nungskoeffizienten
(CTE) auf, der im Mittel zwischen denjenigen der beiden angrenzenden
Materialien liegt. Beispielsweise weisen die auf der Röntgenanode 10 angeordneten
drei gradierten Schichten 17, 18, 19 einen
CTE von 2, 3 bzw. 4 × 10–6/° C auf, wobei
ein Substratmaterial 12 einen CTE von 1 × 10–6/° C und ein
Targetmaterial 14 einen CTE von 5 × 10–6/° C aufweisen.
Alternativ ist ersichtlich, dass der Gradient in der entgegengesetzten
Richtung verlaufen könnte. Außerdem ist
es klar, dass der gewünschte
CTE jeder Materialschicht von der gewünschten Anzahl von Materialschichten
und dem CTE des Substrats und der Targetmaterialien abhängen würde.
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Optional
kann jede der einen oder mehreren gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten 16 unterschiedliche CTE-Werte
aufweisen. Beispielsweise können
das Substratmaterial 12, das Targetmaterial 14,
die erste Schicht 17, die zweite Schicht 18 und
die dritte Schicht 19 CTE-Werte von 1, 6, 1, 5, 4 bzw.
5 × 10–6/° C aufweisen.
Der CTE einer jeden Schicht kann uneinheitlich sein. Vorzugsweise
weist jede Schicht der Röntgenanode
einen CTE auf, der um 2 × 10–6/° C abweicht;
und eher bevorzugt um 1 × 10–6/° C. Außerdem kann
jede Schicht der Röntgenanode
einen CTE aufweisen, der um weniger als 1 × 10–6/° C variiert.
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In
den beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist die Röntgenanode 10 eine
rotierende Röntgenanode.
Alternativ kann die Röntgenanode
von einem beliebigen anderen Typ einer Röntgenanode sein.
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Mit
Bezugnahme auf 2 ist eine geschnittene Teilansicht
einer Röntgenanode 20 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, zu der ein Substratmaterial 22 und
ein Targetmaterial 24 gehören, die durch eine oder mehrere
gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisende Materialschichten 26 miteinander verbunden
sind. Auch hier ist die vorliegende Erfindung, obwohl eine Röntgenanode 20 veranschaulicht
ist, gleichermaßen
auf andere Arten von Röntgenanoden
für den
Einsatz in Röntgenröhren anwendbar.
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Das
Substratmaterial 22 ist für den Einsatz als Röntgenanode
vorbereitet und weist eine vorbereitete Oberfläche auf, d. h. einen zwischen
einer ersten Position 23 und einer zweiten Position 25 angeordneten
Targetort, der dazu dient, eine oder mehrere gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisende Materialschichten 26 und ein Targetmaterial 24 an
sich zu binden. Die Oberfläche
des Substratmaterials 22 ist zwischen einer ersten Position 23 und
einer zweiten Position 25 als eine gekrümmte Fläche dargestellt (die keine
wie in 1 gezeigte Seitenwand aufweist). Alternativ ist
ersichtlich, dass die Fläche
zwischen einer ersten Position 23 und einer zweiten Position 25 eine
ebene oder im Wesentlichen ebene Fläche sein kann.
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Die
gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisende Materialschicht 26 ist in diesem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung aus zwei Schichten aufgebaut, d. h. aus
einer ersten Schicht 27 und einer zweiten Schicht 28.
Obwohl zwei Schichten gezeigt sind, kommen auch eine einzelne oder
mehrere Schichten in Betracht.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist jede der gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisende Materialschichten einen angenäherten Wärmeausdehnungskoeffizienten
(CTE) auf, der im Mittel zwischen denjenigen der beiden angrenzenden
Materialien liegt. Beispielsweise weisen die auf der Röntgenanode 20 angeordneten
zwei gradierten Schichten 27, 28 einen CTE von
2,5 bzw. 4 × 10–6/° C auf, wobei
ein Substratmaterial 22 einen CTE von 1 × 10–6/° C und ein Targetmaterial 24 einen
CTE von 5,5 × 10–6/° C aufweisen.
Alternativ ist ersichtlich, dass der Gradient in der entgegengesetzten
Richtung verlaufen könnte. Außerdem ist
es klar, dass der gewünschte
CTE jeder Materialschicht in der Regel von der gewünschten
Anzahl von Materialschichten und dem CTE des Substrats und der Targetmaterialien
abhängt.
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Optional
kann jede der einen oder mehreren gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten 26 unterschiedliche CTE-Werte
aufweisen. Beispielsweise können
das Substratmaterial 22, das Targetmaterial 24,
die erste Schicht 27 und die zweite Schicht 28 CTE-Werte
von 1, 6, 2 bzw. 5 × 10–6/° C aufweisen.
Der CTE einer jeden Schicht kann abweichen. Vorzugsweise weist jede
Schicht der Röntgenanode
einen CTE auf, der um 2 × 106/° C
abweicht; und eher bevorzugt um 1 × 10–6/° C. Außerdem kann
jede Schicht der Röntgenanode
einen CTE aufweisen, der um weniger als 1 × 10–6/° C abweicht.
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In
den beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist die Röntgenanode 20 eine
rotierende Röntgenanode.
Alternativ kann die Röntgenanode
von einer beliebigen anderen Bauart einer Röntgenanode sein.
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3 zeigt
ein Verfahren zum Herstellen einer Röntgenanode gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Verfahren zum Herstellen einer Röntgenanode beinhaltet die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats mit einem Targetort, Beschichten des
Targetorts des Substrats mit einer Schlammmischung, die die eine
oder mehreren gradierte wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten bildet, und Trocknen des Materials
jeder CTE-Schicht. Danach wird auf die äußerste Fläche der einen oder mehreren
gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten ein Targetmaterial aufbracht. Zuletzt
werden das Targetmaterial, die Materialschichten und das Substratmaterial
erhitzt, um diese aneinander zu binden.
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Das
Substrat ist, was das enthaltene Material und die Gestalt betrifft,
ausgewählt,
um für
einen Einsatz als Röntgenanode
geeignet zu sein.
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Jede
der einen oder mehreren gradierte wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten wird gebildet, indem der Targetort
des Substrats mit der (oben beschriebenen) Schlammmischung beschichtet
wird, die für
jede Schicht einen speziellen CTE aufweist. Jede Beschichtung wird mittels
Techniken aufgebracht, die dem Fachmann bekannt sind. Den Beschichtungen
wird nach dem Auftragen der Schlammmischung auf jeder der gewünschten
Schichten Zeit zum Trocknen gelassen. Optional kann jeder Beschichtung
der Schlammmischung Zeit zum Trocknen gelassen werden, bevor die
nächste
Schicht aufgetragen wird. Das Trocknen kann bei einer Temperatur
von 125° C
oder einer anderen, dem Fachmann als geeignet erscheinenden Temperatur
erfolgen. In einigen Fällen
wird es erforderlich sein, die Trocknungstemperatur auf eine Sintertemperatur
zu erhöhen,
bevor die nächste
Schicht aufgebracht wird.
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Anschließend wird
das Targetmaterial auf die gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten aufgebracht. Das Targetmaterial kann
durch CVD-, PVD- oder sonstige dem Fachmann bekannte Verfahren aufgebracht
werden. Optional muss die Gestalt des Targetmaterials, falls dieses
ein Festkörper
ist, ausgebildet werden, um zu dem Substrat mit den dazwischen angeordneten
gradierten CTE-Schichten zu passen.
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Der
letzte Schritt in dem Verfahren basiert darauf, die Röntgenanode
auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der das Targetmaterial, die
gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten und das Substratmaterial aneinander binden.
Die Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung
wird von der Materialzusammensetzung des Substrats, dem zum Bilden
der gradierten CTE-Schichten verwendeten Schlamm und dem Target
abhängig
sein. Ein Wärmebehandlungsverfahren ist
in dem (oben genannten) Patent erwähnt, auf das Bezug genommen
ist, und ist dem Fachmann bekannt. Eine typische Wärmebehandlungstemperatur für Schichten,
die Hf-Verbindungen ent halten, ist 1865° C, und für Schichten, die keine Hf-Verbindungen
enthalten 2350° C.
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Ein
Beispiel zum Herstellen einer Röntgenanode
basiert auf einer Wärmebehandlung
derselben mit einer Temperatur von 2350° C, nachdem die Röntgenanode
gefertigt ist. Die Röntgenanode
ist hergestellt basierend auf einem Substrat mit einer gewebten
Struktur, die auf Kohlenstofffasern hoher Festigkeit aufbaut, drei
CTE-Materialschichten, die auf dem Substrat aufgebracht sind, das
die gradierte CTE-Schicht bildet, wobei jede der drei Schichten aus
einer (W, W2B, WC, zerhackte Kohlenstofffasern und Bindemittel enthaltenden)
Schlammmischung hergestellt ist, und jede Schicht einen unterschiedlichen
CTE aufweist und nach dem Auftragen getrocknet wird, und einem Target,
das basierend auf einer Wolframlegierung (95 % W, 5 % Re) hergestellt
ist, indem das Targetmaterial mittels eines CVD-Verfahrens an der
Oberfläche
der gradierten CTE-Schicht angebracht ist.
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Optional
kann die Wärmebehandlung
in Verbindung mit einem Auflegen eines Gewichts auf das Targetmaterial
durchgeführt
werden, um den Bindungsprozess für
die Materialien zu fördern.
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4 zeigt
ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Röntgenanode gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Verfahren zum Herstellen einer Röntgenanode beinhaltet die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats mit einem Targetort und anschließendes Beschichten
des Targetorts des Substrats mit einer Schlammmischung, die die
eine oder mehreren gra dierte Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden
Materialschichten bildet. Anschließend wird die Beschichtung
gesintert und auf die äußerste Fläche der
einen oder mehreren gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten ein Targetmaterial aufbracht. Zuletzt werden
das Targetmaterial, die Materialschichten und das Substratmaterial
erhitzt, um diese aneinander zu binden.
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Jede
der einen oder mehreren gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten wird gebildet, indem der Targetort
des Substrats mit der (oben beschriebenen) Schlammmischung beschichtet
wird, die für
jede Schicht einen speziellen CTE aufweist. Nach dem Auftragen der Schlammmischung
für jede
der gewünschten
Schichten werden die Beschichtungen gesintert. Optional kann jede
Beschichtung der Schlammmischung, nach dem diese aufgetragen ist,
gesintert werden. Die Sintertemperatur wird von den für den Schlamm und
das Substrat ausgewählten
Materialien abhängen.
Das Sintern kann bei einer Temperatur von 1865° C oder einer anderen, dem Fachmann
als geeignet erscheinenden Temperatur erfolgen. Beispielsweise kann
die Sintertemperatur etwa 1865° C betragen,
wobei die Röntgenanode
basierend auf einer gewebten Struktur, die aus Kohlenstofffasern
hoher Festigkeit (und) einer oder mehreren gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Schichten aufgebaut ist, die auf einer (W, W2B, HfC, Hf,
zerhackte Kohlenstofffasern und Bindemittel enthaltenden) Schlammmischung
basieren, wobei jede Schicht einen unterschiedlichen CTE aufweist.
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Anschließend wird
das Targetmaterial auf die gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten aufgebracht. Das Targetmaterial kann
durch CVD-, PVD- oder sonstige dem Fachmann bekannte Verfahren aufgebracht
werden. Optional muss die Gestalt des Targetmaterials, falls dieses
eine Festkörper
ist, ausgebildet werden, um zu dem Substrat mit den dazwischen angeordneten gradierten
CTE-Schichten zu passen.
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Der
letzte Schritt in dem Verfahren basiert darauf, die Röntgenanode
auf eine Temperatur zu erhitzen, bei das Targetmaterial, die gradierte
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten und das Substratmaterial aneinander
binden. Die Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung wird von der
Materialzusammensetzung des Substrats, dem zum Bilden der gradierten CTE-Schichten
verwendeten Schlamm und dem Target abhängig sein. Ein dem Fachmann
bekanntes Wärmebehandlungsverfahren
ist in dem (oben genannten) Patent erwähnt, auf das Bezug genommen ist.
Eine typische Wärmebehandlungstemperatur
für Schichten,
die Hf-Verbindungen enthalten, ist 1865° C, und beträgt 2350° C für Schichten, die keine Hf-Verbindungen
enthalten.
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Ein
Beispiel zum Herstellen einer Röntgenanode
basiert auf einer Wärmebehandlung
derselben mit einer Temperatur von 1865° C, nachdem die Röntgenanode
gefertigt ist. Die Röntgenanode
ist hergestellt basierend auf einem Substrat mit einer gewebten
Struktur, die auf Kohlenstofffasern hoher Festigkeit aufbaut, drei
CTE Materialschichten, die auf dem Substrat aufgebracht sind, das
die gradierte CTE-Schicht bildet, wobei jede der drei Schichten aus
einer (W, W2B, HfC, Hf, zerhackte Pechfasern und Bindemittel enthaltenden)
Schlammmischung hergestellt ist, und jede Schicht einen unterschiedlichen
CTE aufweist und nach dem Auftragen gesintert wird, und einem Target,
das basierend auf einer Wolframlegierung (95 % W, 5 Re) hergestellt
ist, indem das Targetmaterial mittels eines PVD-Verfahrens an der
Oberfläche
der gradierten CTE-Schicht angebracht ist.
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Eine
weiteres Beispiel des Herstellens einer Röntgenanode beinhaltet eine
Wärmebehandlung derselben
bei einer Temperatur von 2350° C,
nachdem die Röntgenanode
hergestellt ist. Die Röntgenanode
wird hergestellt basierend auf einem Substrat mit einer gewebten
Struktur, die auf Kohlenstofffasern hoher Festigkeit basiert, zwei
CTE Materialschichten, die auf dem Substrat aufgebracht sind, das
die gradierte CTE-Schicht bildet, wobei jede der drei Schichten
aus einer (W, W2B, WC, zerhackte Kohlenstofffasern und Bindemittel
enthaltenden) Schlammmischung hergestellt ist, und innerhalb jeder
Schicht sich ändernde
CTE-Werte vorhanden sind, und jede Schicht nach dem Auftragen gesintert wird,
und einem Target, das basierend auf einer Wolframlegierung (95 %
W, 5 % Re) hergestellt ist, indem das Targetmaterial mittels eines
LPPS-Verfahrens an der Oberfläche
der gradierten CTE-Schicht angebracht ist.
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Optional
kann die Wärmebehandlung
in Verbindung mit dem Auflegen eines Gewichts auf das Targetmaterial
durchgeführt
werden, um den Bindungsprozess für
die Materialien zu fördern.
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Geschaffen
ist eine Röntgenanode 10 für den Einsatz
in einer Röntgenröhre. Zu
der Röntgenanode 10 gehören ein
Substratmaterial 12, ein Targetmaterial 14 und
ein oder mehrere gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisende Materialschichten 16. Das Targetmaterial 14 ist
an die eine oder mehreren gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten 16 gebunden. Die eine oder
mehreren gradierte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Materialschichten 16 sind an das Substratmaterial 12 gebunden.
Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung der Röntgenanode geschaffen.
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Während die
Erfindung anhand eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, sollte es klar sein, dass die Erfindung nicht auf jene Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist. Vielmehr zielt die Erfindung darauf ab, sämtliche Möglichkeiten, Modifikationen
und äquivalente
Formen abzudecken, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche einbezogen
werden können.
Auf die Offenbarungen sämtlicher
US-Patente, die
im Vorausgehenden erwähnt
wurden, wird hier ausdrücklich
Bezug genommen.
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- 10
- Anode
- 12
- Substratmaterial
- 14
- Targetmaterial
- 16
- Materialschichten
- 17,
18, 19
- Gradierte
Schichten
- 22
- Substratmaterial
- 24
- Targetmaterial
- 26
- Materialschicht