DE102005039187B4

DE102005039187B4 - Röntgenröhre

Info

Publication number: DE102005039187B4
Application number: DE102005039187A
Authority: DE
Inventors: Dr. Lenz Eberhard
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2025-08-19
Also published as: US20070086574A1; DE102005039187A1

Abstract

Röntgenröhre mit einer Kathode (2) und einer aus einem ersten Material hergestellten Anode (3), wobei das erste Material ein Metall ist, wobei die Anode (3) zur Verminderung des Abdampfens des ersten Materials an ihrer der Kathode (2) zugewandten ersten Seite zumindest in einer Brennzone mit einer aus einem zweiten Material gebildeten Schicht (6) versehen ist, wobei das zweite Material bei einer Temperatur von 800°C einen geringeren Dampfdruck als das erste Material aufweist, wobei die Anode (3) an ihrer der Kathode (2) abgewandten zweiten Seite zumindest abschnittsweise mit einem aus einem eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material aufweisenden dritten Material hergestellten Wärmeleitelement (4) zum Abführen von Wärme versehen ist, wobei das dritte Material eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 500 W/mK aufweist, und wobei das dritte Material aus mit Titan dotiertem Grafit hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre.
Röntgenröhren sind nach dem Stand der Technik allgemein bekannt. Bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung durch das Abbremsen von auf die Anode beschleunigten Elektroden heizt sich ein erstes, die Anode bildendes Material, nämlich ein Metall, stark auf. Es kommt dabei auch zu einem Abdampfen des Metalls. Der Metalldampf schlägt sich an kälteren Bereichen der Röntgenröhre, insbesondere am Röntgenaustrittsfenster nieder. Gerade im Bereich des Röntgenaustrittsfensters sind derartige durch verdampftes Metall gebildete Ablagerungen unerwünscht, weil sie Röntgenstrahlen absorbieren und damit die Leistung der Röntgenröhre einschränken.
Die DE 2 154 888 A1 , DE 103 01 069 A1 , DE 196 50 061 A1 , US 5,943,389 A , WO 03/043046 sowie die US 4,271,372 beschreiben Anoden, bei denen das metallische Anodenmaterial an seiner der Kathode abgewandten Seite mit einem Material mit hohem Wärmespeichervermögen verbunden ist. Bei diesem Material handelt es sich entweder um Grafit, um Grafit-Faserverbundwerkstoffe, poröse Materialien, deren Poren mit einem wärmeleitfähigen Material gefüllt sind oder dgl..
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Röntgenröhre anzugeben, welche dauerhaft eine hohe und gleich bleibende Leistung liefert.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 11.
Nach Maßgabe der Erfindung wird eine Röntgenröhre mit einer Kathode und einer aus einem ersten Material hergestellten Anode vorgeschlagen, wobei das erste Material ein Metall ist, wobei die Anode zur Verminderung des Abdampfens des ersten Materials an ihrer der Kathode zugewandten ersten Seite zumindest in einer Brennzone mit einer aus einem zweiten Material gebildeten Schicht versehen ist, wobei das zweite Material bei einer Temperatur von 800°C ein geringeren Dampfdruck als das erste Material aufweist.
Damit kann ein unerwünschtes Abdampfen des ersten Materials bei einem Betrieb der Anode bei hohen Temperaturen vermindert werden. Infolgedessen können sich an einem Röntgenaustrittsfenster keine aus dem ersten Material gebildeten Ablagerungen niederschlagen, welche nachteiligerweise Röntgenstrahlung absorbieren. Die vorgeschlagene Röntgenröhre kann also bei hohen Anodentemperaturen dauerhaft im Wesentlichen ohne Leistungsverlust betrieben werden.
Unter einer ”Brennzone” wird ein Abschnitt der Anode verstanden, auf dem im Betrieb der von der Kathode emittierte Elektronenstrahl auftrifft. Im Falle einer Drehanode oder einer Drehkolbenröhre bildet die Brennzone auf der Anode einen ringartigen Abschnitt.
Das zweite Material ist zweckmäßigerweise aus der folgenden Gruppe ausgewählt: SiO₂, TiO₂, CrN, TaC, HfC, WC, WB, Re, TaB, HfB, TiAlN, TiAlCN, Ta, TiB, B, V, Pt. Die genannten Verbindungen zeichnen sich durch eine sehr geringe Bildungsenthalpie und damit nach allgemeiner praktischer Erfahrung durch einen besonders geringen Dampfdruck aus.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das SiO₂ mit aus Kohlenstoff oder TiO₂ hergestellten Füllkörpern versehen sein. Die vorgeschlagene Ausführungsvariante zeichnet sich durch eine verbesserte Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit des zweiten Materials, insbesondere bei hohen Temperaturen, aus. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schicht eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 1,0 μm auf. Besonders zweckmäßig hat sich eine Dicke der Schicht im Bereich von 0,3 bis 0,8 μm erwiesen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anode an ihrer der Kathode abgewandten zweiten Seite zumindest abschnittsweise mit einem aus einem eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material aufweisenden dritten Material hergestellten Wärmeleitelement zum Abführen von Wärme versehen ist, wobei das dritte Material eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 500 W/mK aufweist.
Damit kann ein erheblich verbesserter Abtransport der Wärme von der Anode realisiert werden. Die Leistung der vorgeschlagenen Röntgenröhre kann um bis zu 15% verbessert werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das dritte Material aus mit Titan dotiertem Grafit hergestellt ist. Ein derartiges Material weist zumindest in zwei kristallografischen Ebenen eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 690 W/mK bei Raumtemperatur auf. Die Wärmeleitfähigkeit des vorgeschlagenen Grafits liegt damit deutlich höher als die Wärmeleitfähigkeit herkömmlichen Grafits oder von Kupfer. Insoweit hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Grafit im Wärmeleitelement so zu orientieren, dass zumindest eine die vorgenannte hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisende kristallografische Ebene im Wesentlichen senkrecht zur ersten Seite orientiert ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das dritte Material ein aus Grafit und Kupfer gebildeter Verbundwerkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 800 W/mK ist. Der Verbundwerkstoff kann auch aus Grafit hergestellte rohrartige Strukturen mit einem Durchmesser von 10 bis 100 nm, so genannte nanotubes, aufweisen, welche in Kupfer eingebettet sind. Mit dem vorgeschlagenen Verbundwerkstoff kann ein hervorragender Wärmeabtransport von der Anode realisiert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Wärmeleitelement in einer aus Kupfer hergestellten Trägerstruktur aufgenommen. Die Trägerstruktur kann Bestandteil der aus dem ersten Material hergestellten Anode sein. Es kann sich aber auch um ein gesondertes Bauteil handeln, welches das Wärmeleitelement aufnimmt und an die erste Seite montiert ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das erste Material aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Cu, Rh, Mo, Fe, Ni, Co, Cr, Ti, W oder eine Legierung, welche vorwiegend eines der vorgenannten Metalle enthält. Ein derartiges erstes Material weist einen besonders hohen Schmelzpunkt auf und ermöglicht einen Betrieb der Anode bei hohen Temperaturen.
Es ist auch möglich, als zweites Material W, Co, Ni oder Ti zu verwenden, falls das erste Material von W, Co, Ni bzw. Ti verschieden ist.
Die Anode kann eine Festanode oder eine relativ zur Kathode drehbare Drehanode sein. Es kann auch sein, dass die Anode Bestandteil einer Drehkolbenröhre ist. Insbesondere bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Anode als Bestandteil einer Drehanode oder einer Drehkolbenröhre können besonders hohe Leistungen erzielt werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Zeichnung näher erläutert.
In der einzigen Zeichnung ist eine Schnittansicht einer Röntgenröhre mit Festanode schematisch gezeigt. In einem vakuumdichten Gehäuse 1 ist gegenüberliegend einer Kathode 2 eine, z. B. aus Wolfram hergestellte, Anode 3 vorgesehen. An der Anode 3 ist an der der Kathode 2 abgewandten ersten Seite ein Wärmeleitelement 4 angebracht. Das Wärmeleitelement 4 besteht aus einem Material, welches im Vergleich zum Anodenmaterial eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das Wärmeleitelement 4 kann beispielsweise aus mit Titan dotiertem Grafit mit einer Wärmeleitfähigkeit von 650 W/mK hergestellt sein. Soweit das Wärmeleitelement 4 hinsichtlich seiner Wärmeleitfähigkeit anisotrop ist, ist es so an der Anode 3 angebracht, dass die Richtung der maximalen Wärmeleitfähigkeit etwa senkrecht zur Oberfläche der Anode 3 verläuft.
Die Anode 3 ist an ihrer der Kathode 2 zugewandten zweiten Seite mit einer, z. B. aus TaC oder HfC, hergestellten Schicht 6 versehen. Das zur Herstellung der Schicht 6 verwendete Material weist einen geringeren Dampfdruck bei 800°C als das zur Herstellung der Anode 3 verwendete Material auf. Infolgedessen kann damit ein Abdampfen von Anodenmaterial und dessen unerwünschte Ablagerung an einem Röntgenaustrittsfenster 7 vermieden werden.
Die Schicht 6 weist zweckmäßigerweise eine Dicke von 300 bis 700 nm auf. Sie kann beispielsweise mittels eines Sol-Gel-Verfahrens oder eines PVD-Verfahrens auf die Anode 3 aufgebracht werden.
Zur Herstellung des Wärmeleitelements 4 eignen sich insbesondere auch aus Grafit hergestellte Fasern, welche beispielsweise von der Firma Cytec Engineered Materials GmbH unter der Marke ”THORNEL CARBON FIBRES” angeboten werden. Desgleichen eignen sich von derselben Firma unter der Marke ”THERMALGRAF” angebotene Grafitfasern. Aus den vorgenannten Fasern können Platten hergestellt werden, welche wiederum das Ausgangsmaterial zur Herstellung des Wärmeleitelements 4 bilden.

Claims

Röntgenröhre mit einer Kathode (2) und einer aus einem ersten Material hergestellten Anode (3), wobei das erste Material ein Metall ist, wobei die Anode (3) zur Verminderung des Abdampfens des ersten Materials an ihrer der Kathode (2) zugewandten ersten Seite zumindest in einer Brennzone mit einer aus einem zweiten Material gebildeten Schicht (6) versehen ist, wobei das zweite Material bei einer Temperatur von 800°C einen geringeren Dampfdruck als das erste Material aufweist, wobei die Anode (3) an ihrer der Kathode (2) abgewandten zweiten Seite zumindest abschnittsweise mit einem aus einem eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material aufweisenden dritten Material hergestellten Wärmeleitelement (4) zum Abführen von Wärme versehen ist, wobei das dritte Material eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 500 W/mK aufweist, und wobei das dritte Material aus mit Titan dotiertem Grafit hergestellt ist.
Röntgenröhre nach Anspruch 1, wobei das zweite Material aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: SiO₂, TiO₂, CrN, TaC, HfC, WC, WB, Re, TiB, HfB, TiAlN, TiAlCN, B, V, Pt, Ta, TaB.
Röntgenröhre nach Anspruch 2, wobei das SiO₂ mit aus Kohlenstoff oder TiO₂ hergestellten Füllkörpern versehen ist.
Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (6) eine Dicke von 0,2 bis 1,0 μm aufweist.
Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das dritte Material ein aus Grafit und Kupfer gebildeter Verbundwerkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 800 W/mK ist.
Röntgenröhre nach Anspruch 5, wobei der Verbundwerkstoff aus Grafit hergestellte rohrartige Strukturen mit einem Durchmesser von 10 bis 100 nm aufweist, welche in Kupfer eingebettet sind.
Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das dritte Material in einer aus Kupfer hergestellten Trägerstruktur (5) aufgenommen ist.
Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Cu, Rh, Mo, Fe, Ni, Co, Cr, Ti, W oder eine Legierung, welche vorwiegend eines der vorgenannten Metalle enthält.
Röntgenröhre nach Anspruch 8, wobei das zweite Material W, Co, Ni oder Ti ist, falls das erste Material von W, Co, Ni bzw. Ti verschieden ist.
Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anode (3) eine Festanode oder relativ zur Kathode (2) drehbare Drehanode ist.
Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anode (3) Bestandteil einer Drehkolbenröhre ist.