DE102005039188A1

DE102005039188A1 - Röntgenröhre

Info

Publication number: DE102005039188A1
Application number: DE102005039188A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr. Lenz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2025-08-19
Also published as: US7406156B2; US20070041503A1; DE102005039188B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Kathode (2) und einer aus einem ersten Material hergestellten Anode (3), wobei die Anode an ihrer der Kathode (2) abgewandten ersten Seite mit einem Wärmeleitelement (4) versehen ist. Zur Verbesserung der Leistung der Röntgenröhre wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Wärmeleitelement (4) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest 500 W/mK hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Röntgenröhre ist nach dem Stand der Technik allgemein bekannt. Dabei ist eine Anode aus einem ersten Material hergestellt, welches üblicherweise aus einem einen hohen Schmelzpunkt aufweisenden Metall gebildet ist. Die Anode ist an einer der Kathode abgewandten Seite zumindest abschnittsweise mit einer Schicht zum Abführen von Wärme versehen. Die Schicht ist aus einem zweiten Material hergestellt, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material aufweist. Derartige Anoden finden bei unterschiedlichen Konstruktionen von Röntgenröhren, beispielsweise bei Röntgenröhren mit Festanoden, Drehanoden oder bei Drehkolbenröhren, Verwendung.
Die Leistung von Röntgenröhren wird insbesondere durch die thermische Belastbarkeit der Anode begrenzt. Zur Erhöhung der thermischen Belastbarkeit der Anode sind nach dem Stand der Technik verschiedene Konstruktionen bekannt, bei denen versucht wird, die durch den abgebremsten Elektronenstrahl eingetragene Wärme auf eine möglichst große Fläche zu verteilen. Zu diesen Konstruktionen gehören beispielsweise Röntgenröhren mit Drehanoden oder Drehkolbenröhren. Ferner ist mit einer Vielzahl unterschiedlicher Konstruktionen versucht worden, die Anode möglichst effizient zu kühlen. Damit hat eine Steigerung der Leistung von Röntgenröhren erreicht werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Röntgenröhre mit weiter verbesserter Leistung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 12.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite 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.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das zweite 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 zweite 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 das 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.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Anode an ihrer der Kathode zugewandten zweiten Seite zumindest in einer Brennzone mit einer aus einem dritten Material gebildeten Schicht versehen, wobei das dritte Material bei einer Temperatur von 800°C einen 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 ohne Leistungsverlust betrieben werden.

Das dritte Material ist zweckmäßigerweise aus der folgenden Gruppe ausgewählt: SiO₂, TiO₂, CrN, TaC, HfC, WC, WB, W, Re, TiB, HfB, TiAlN, TiAlCN, B, Co, Ni, Ti, V, Pt, Ta. 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 des dritten 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.

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 mit aus 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 die Anode (3) an ihrer der Kathode (2) abgewandten ersten Seite zumindest abschnittsweise mit einer aus einem eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material aufweisenden zweiten Material hergestellten Wärmeleitelement (4) zum Abführen von Wärme versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 500 W/mK aufweist
Röntgenröhre nach Anspruch 1, wobei das zweite Material aus mit Titan dotiertem Grafit hergestellt ist.
Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Material ein aus Grafit und Kupfer gebildeter Verbundwerkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 800 W/mK ist.
Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 Wärmeleitelement (4) 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 einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anode (3) an ihrer der Kathode (2) zugewandten zweiten Seite zumindest in einer Brennzone mit einer aus einem dritten Material gebildeten Schicht (6) versehen ist, wobei das dritte Material bei einer Temperatur von 800°C einen geringeren Dampfdruck als das erste Material aufweist.
Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das dritte Material aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: SiO₂, TiO₂, CrN, TaC, HfC, WC, WB, W, Re, TiB, HfB, TiAlN, TiAlCN, B, Co, Ni, Ti, V, Pt, Ta.
Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das SiO₂ mit aus Kohlenstoff oder TiO₂ hergestellten Füllkörpern versehen ist.
Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht eine Dicke von 0,2 bis 1,0 μm aufweist.
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.