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Die
Erfindung betrifft eine Röntgenanode
mit einer Emissionsschicht und einem Träger mit Trägermaterial zum Tragen der
Emissionsschicht.
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Röntgenröhren umfassen
eine Röntgenanode
und eine Kathode, die in einer Vakuumhülle angeordnet sind. Aus der
Kathode werden Elektronen zumeist thermisch freigesetzt und durch
Hochspannung zur Anode beschleunigt, wo sie in einer Emissionsschicht
abgebremst werden und Röntgenstrahlen
erzeugen. Hierbei wird ein großer
Teil der kinetischen Energie der Elektronen in Wärme umgewandelt, die die Röntgenanode während ihres
Betriebs stark aufheizt. Die Leistung von Röntgenröhren wird insbesondere durch
diese thermische Belastung der Röntgenanode
begrenzt. Zur Erhöhung
der thermischen Belastbarkeit sind aus dem Stand der Technik verschiedene
Konstruktionen bekannt. Bei als Festanoden ausgeführten Röntgenanoden
ist es bekannt, Wärme
aus der Röntgenanode über Zwischenstrukturen
in einen Wärmespeicher,
z.B. aus Graphit, zu leiten. Bei als Drehanoden ausgeführten Röntgenanoden
wird der Elektronenstrahl auf einen Punkt auf der Oberfläche der
tellerförmigen
Röntgenanode
im Abstand R zum Mittelpunkt gerichtet. Durch eine schnelle Drehung
der Röntgenanode
beim Betrieb verteilt sich die Wärme
entlang des durch den Punkt beschriebenen Brennrings und kann sich
zusätzlich
während
einer Umdrehung der Röntgenanode
verteilen, bevor die Stelle erneut vom Elektronenstrahl getroffen
wird. Zusätzlich
ist eine Kühlung
der Drehanode mit Kühlmittel
bekannt. Hierdurch kann eine wesentlich höhere Leistung erreicht werden
als bei Festanoden. Bei Drehkolbenröhren ist es bekannt, die gesamte
Röntgenröhre in einem
Bad aus Kühlmittel
zu rotieren und hierdurch die Wärme
aus der Röntgenanode
abzuführen.
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Allen
Formen der Röntgenanoden
ist gemein, dass die Wärme
aus der Emissionsschicht abgeführt und
in einen Wärmespeicher
oder ein Kühlmittel
weitergeleitet werden muss. Hierfür dient ein als Zwischenschicht
oder direkt als Wärmespeicher
ausgeführter
Träger
zum Tragen der Emissionsschicht, auf den die Emissionsschicht unmittelbar
oder mittelbar aufgebracht ist.
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Aus
der
DE 10 2004
003 370 A1 ist es bekannt, diesen Träger aus einer Kombination aus
einer Kupferlegierung zur Wärmeabfuhr
und einer Molybdänlegierung
zur Verleihung der nötigen
Stabilität
zu fertigen. Eine sehr gute Wärmeableitung
kann durch hochwärmeleitfähiges Graphit
erreicht werden, wobei das Problem besteht, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Graphits nicht an denjenigen der Emissionsschicht angepasst
ist. Dies führt
dazu, dass bei einer hohen Belastung der Röntgenanode durch die unterschiedliche Ausdehnung
der Emissionsschicht und des Wärmeleiters
leicht Risse entstehen, die zu einer Zerstörung der Röntgenanode führen.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist es aus der
DE 10 2005 015 920 A1 bekannt, zwischen den
Wärmeleiter
aus einem Kohlenstoffwerkstoff und die Emissionsschicht einen Träger aus
einer oder mehreren Zwischenschichten aus Kohlefasermaterial zu
bringen, das mit hochschmelzenden Metallen verbacken ist. Durch die
Variation der Menge von Kohlefasern zu Metall kann der Wärmeausdehnungskoeffizient
in einem gewissen Bereich eingestellt werden und so über mehrere
Zwischenschichten des Trägers
ein dicht gestufter Gradient des Wärmeausdehnungskoeffizienten
erreicht werden. Bei dieser sehr stabilen Lösung ist jedoch die Wärmeleitfähigkeit
des Trägers
in einem hohen Leistungsbereich der Röntgenanode unbefriedigend.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Röntgenanode mit einem Träger anzugeben,
der eine hohe Fähigkeit
zur Wärmeableitung
mit einem zur Verbindung mit der Emissionsschicht geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten
verbindet.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Röntgenanode
der Ein gangs genannten Art, bei der das Trägermaterial erfindungsgemäß ein metallisiertes
Kohlefasermaterial mit einem gerichteten Anteil aufweist. Durch die
Ausrichtung kann eine hohe Wärmeleitfähigkeit
in Längsrichtung
und ein angepasster Wärmeausdehnungskoeffizient
in Radialrichtung der Kohlefasern erreicht werden.
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Die
Erfindung geht hierbei von der Überlegung
aus, dass Kohlefasern in Längsrichtung
eine wesentlich höhere
Wärmeleitfähigkeit
aufweisen als in Radialrichtung. Durch eine Anordnung der Kohlefasern
in eine gewünschte
Wärmeleitungsrichtung
kann somit eine wesentlich höhere
Wärmeleitung
in diese Richtung erreicht werden, als mit ungerichteten Kohlefasern.
Außerdem
geht die Erfindung von der weiteren Überlegung aus, dass Kohlefasern
in Längsrichtung
einen wesentlich kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen als in Radialrichtung. Durch eine entsprechende Neigung
der Kohlefasern im Trägermaterial
relativ zu einer Rotationsachse der Röntgenanode kann somit ein Wärmeausdehnungskoeffizient
des Trägermaterials
variiert und auf einen gewünschten
Wert eingestellt werden. Es kann eine thermo-mechanische Anpassung
des Trägermaterials
an die Emissionsschicht erzielt und eine Rissbildung vermieden werden.
Hierdurch kann eine hohe Lebensdauer in Kombination mit einer hohen
mechanischen Stabilität
der Röntgenanode
erreicht werden. Die Röntgenanode
kann mit einer hohen Drehzahl von beispielsweise 15.000 U/min betrieben,
ohne dass auf eine hohe Leitfähigkeit
verzichtet werden muss.
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Die
Röntgenanode
kann eine beliebige Röntgenanode
sein, wie eine Festanode, eine Drehanode oder eine Anode in einem
Drehkolbenstrahler. Das Kohlefasermaterial kann einen oder mehrere
gerichtete Anteile aufweisen. Im gerichteten Anteil weist zumindest
ein überwiegender
Teil der Kohlefasern eine vorgesehene Vorzugsrichtung auf, wobei
die Vorzugsrichtung in einer vorgesehenen funktionale Abhängigkeit
zum Ort innerhalb des Trägers
stehen kann. Die Vorzugsrichtung entspricht der Längsrichtung
der Kohlefasern. Alle gerichteten Anteile zu sammen bilden zweckmäßigerweise
den überwiegenden
Teil aller Kohlefasern im Trägermaterial,
insbesondere über
90% aller Kohlefasern. Die mittlere Länge der Kohlefasern ist vorteilhafterweise größer als
1 mm, um eine Ausrichtung zu erleichtern. Kohlefasern können alle
Fasern mit einem Kohlenstoffanteil über 90% sein, vorzugsweise über 95%,
insbesondere graphitierte Fasern, wie beispielsweise Graphitfasern.
Durch die Metallisierung sind die Kohlefasern direkt oder über eine
oder mehrere Bindeschichten um die Fasern, beispielsweise aus einem
Carbidbildner, mit dem Metall versehen. Vorteilhafterweise sind
sie von dem Metall benetzt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der gerichtete
Anteil zur Emissionsschicht hin ausgerichtet. Durch die Ausrichtung
der Kohlefasern des gerichteten Anteils zur Emissionsschicht kann
eine hohe Wärmeableitung
in Längsrichtung
der Kohlefasern von der Emissionsschicht weg erreicht werden, wobei eine
hohe Wärmeleitfähigkeit
der Kohlefasern in ihrer Längsrichtung
ausgenutzt wird. Es ist eine Wärmeleitfähigkeit
des Trägermaterials
erzielbar, die höher
als die eines hoch-wärmeleitenden
Metalls ist, beispielsweise Kupfer. Zweckmäßigerweise ist der gerichtete
Anteil parallel zur Rotationsachse ausgerichtet, wodurch eine gute
Wärmeableitung
bei einer Drehanode und Anode einer Drehkolbenröhre erreicht werden kann.
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Die
Metallisierung des Kohlefasermaterials kann auf einfache Weise erreicht
werden, wenn das Kohlefasermaterial mit Metall getränkt ist.
Außerdem
kann das Metall besonders homogen im Kohlefasermaterial verteilt
werden. Als Metall eignet sich ein hoch-wärmeleitendes Metall, beispielsweise
Kupfer oder Silber, sowie eine hoch-wärmeleitende Metalllegierung.
Da sich Kohlefasern nur schwer mit Metall benetzen lassen, ist es
vorteilhaft, dem hoch-wärmeleitenden
Metall bzw. der Metalllegierung ein Zusatzmetall hinzuzufügen, das eine
Benetzung unterstützt,
insbesondere Kobalt oder einen Carbidbildner. Ebenfalls vorteilhaft
ist es, wenn die Kohlefasern außen mit
einer Aktivierungsschicht, beispielsweise aus einem Metallcarbid,
wie Mo-, W- und/oder Cr-Carbid, oder einem Anlöser, wie beispielsweise Kobalt,
versehen sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Kohlefasermaterial zumindest einen ersten
und einen vom ersten verschiedenen zweiten Kohlefasertyp. Hierdurch
kann ein hoher Freiheitsgrad bei der Einstellung des Wärmeausdehnungskoeffizienten
in Verbindung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und
mechanischen Stabilität
der Röntgenanode
erreicht werden.
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Vorteilhafterweise
zeichnet sich der erste Kohlefasertyp gegenüber dem zweiten durch eine
höhere Wärmeleitfähigkeit
und der zweite gegenüber
dem ersten durch eine höhere
mechanische Flexibilität
und damit einer geringeren Sprödigkeit
aus. Jedem Typ kann eine Aufgabe zugewiesen werden, wobei die Aufgaben zumindest
im Wesentlichen unabhängig
von den beiden Kohlefasertypen gelöst werden können. Zweckmäßigerweise
beträgt
die Wärmeleitfähigkeit
des ersten Kohlefasertyps mindestens 400 Wm–1K–1 in
Faserrichtung. Der zweite Kohlefasertyp sollte ein hohe Zugfestigkeit
haben und weniger spröd-
und kerbempfindlich sein als der erste Kohlefasertyp. In seiner
Wärmeleitfähigkeit
kann er beliebig ausgeführt
sein.
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Die
unterschiedlichen Eigenschaften der Kohlefasern in Längs- und Radialrichtung
können
besonders gut genutzt werden, wenn das Kohlefasermaterial zwei in
zueinander unterschiedliche Vorzugsrichtungen ausgerichtete Anteile
aufweist. Zweckmäßigerweise
ist ein überwiegender
Anteil eines jeden der beiden Kohlefasertypen in einer Vorzugsrichtung
ausgerichtet und die Vorzugsrichtungen der beiden Anteile sind zueinander unterschiedlich.
Richtungsbezogene Eigenschaften und Typeigenschaften der Kohlefasern
können
getrennt voneinander verwendet werden zur Einstellung gewünschter
Eigenschaften des Trägermaterials.
Zweckmäßigerweise
wird einem der Typen die Aufgabe zugeordnet, hohe Stabilität zu bringen,
und dem andere Typ, den gewünschte
Wärmeausdehungskoeffizienten
in vorgesehener Richtung zu schaffen.
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Durch
den geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten
in Längs- der Fasern im Verhältnis zum
Wärmeausdehnungskoeffizienten
in Radialrichtung kann durch die Ausrichtung der Kohlefasern der
Wärmeausdehnungskoeffizient
des Trägers
richtungsbezogen eingestellt werden. Bei einer Definition einer
beliebigen Referenzrichtung, beispielsweise parallel zu einer Rotationsachse
der Röntgenanode,
ist eine Wärmeausdehnung
des Trägers
in der Referenzrichtung am kleinsten, wenn die Kohlefasern parallel
zur Referenzrichtung ausgerichtet sind. Durch ein Verkippen der
Kohlefasern aus der parallelen Richtung heraus wird die Wärmeausdehnung
in Referenzrichtung größer und
wird umso größer, je
weiter die Kohlefasern verkippt werden. Sind die Kohlefasern tangential
zur Referenzrichtung angeordnet, ist die Wärmeausdehnung in Referenzrichtung am
größten.
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Ein
Träger
mit ausgerichteten Kohlefasern, deren Ausrichtung relativ zu einer
Referenzrichtung, beispielsweise zu der Rotationsachse der Röntgenanode
und zweckmäßigerweise
zusätzlich
zu einer Radialrichtung der Röntgenanode,
in einem gewünschten
Winkel geneigt ist, kann einfach hergestellt werden, wenn der Anteil
als gerollte Matte angeordnet ist, die um die Referenzrichtung geführt ist.
So kann die Matte in Rohrform angeordnet sein, beispielsweise entlang
der radial äußeren Peripherie
des Trägers,
oder zweckmäßigerweise von
radial innen nach außen
in eingerollter Mattenform vorliegen. Nach ihrer derartigen Anordnung
kann sie mit Metall versehen, z.B. mit Metall vergossen werden.
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Zweckmäßigerweise
weist die Röntgenanode
eine Rotationsache auf, wobei der gerichtete Anteil des Kohlefasermaterials
in einer Schraubenbahn um die Rotationsachse ausgerichtet ist. Diese
Anordnung kann besonders einfach durch die oben beschriebene Mattenanordnung
hergestellt werden. Vorteilhafterweise ist der derart gerichtete
Anteil zumindest überwiegend aus
Kohlefasern des zweiten Kohlefasertyps gebildet. Hierzu ist es ausreichend,
wenn eine Vielzahl von Kohlefasern die Schraubenbahn durch ihre
Gesamtheit bilden.
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Eine
hohe Stabilität
des Trägers
ist erreichbar durch einen weiteren gerichteten Anteil, wobei die
beiden gerichteten Anteile in zwei gegenläufigen Schraubenbahnen um die
Rotationsachse ausgerichtet sind. Hierbei bilden die Kohlefasern
der beiden gerichteten Anteile insbesondere ein Geflecht.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der
Träger
eine der Emissionsschicht am nächsten
liegende erste und eine weiter von der Emissionsschicht entfernte
zweite kohlefaserhaltige Schicht auf, wobei die erste Schicht einen
geringeren Kohlefaseranteil aufweist als die zweite Schicht. In
der ersten Schicht kann zu Gunsten einer hohen Wärmeleitfähigkeit zumindest auf einen
Teil mechanisch verstärkender
Kohlefasern verzichtet werden, um möglichst viel Wärme schnell
aus der Emissionsschicht abzuführen. Beispielsweise
umfasst die erste Schicht weniger Kohlefasern des zweiten Typs als
die zweite Schicht oder keine Kohlefasern des zweiten Typs, sondern
nur beispielsweise zur Emissionsschicht ausgerichtete Kohlefasern
des ersten Typs.
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Eine
besonders belastbare Verbindung des Trägers mit der Emissionsschicht
kann erreicht werden, wenn das Trägermaterial an die Emissionsschicht
angegossen ist. Hierbei ist das das Kohlefasermaterial tränkende Metall
vorteilhafterweise als ein Lot zur Verbindung des Trägermaterials
mit der Emissionsschicht ausgeführt,
wodurch die Herstellung einfach gehalten ist. Ein Lötprozess
kann einfach und zuverlässig
sein durch ein den Lötprozess
begünstigendes
Zusatzmetall. Dabei ist es insbesondere im Hinblick auf die angestrebte Benetzung
vorteilhaft, wenn sich das eingesetzte Metall sowohl in Kohlenstoff
als auch im Lot chemisch löst.
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Eine
thermisch belastbare und dauerhafte Verbindung des Trägers mit
der Emissionsschicht wird erreicht, wenn das Trägermaterial einen an die Emissionsschicht
in Radialrichtung angepassten Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
Eine solche Anpassung ist realisiert, wenn die Ausdehnungskoeffizienten
der Emissionsschicht und des Trägermaterials
maximal um 1 × 10–6/°K in Radialrichtung
differieren.
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert, die
in den Zeichnungen dargestellt sind.
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Es
zeigen:
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1 eine
Röntgenanode
mit einer Emissionsschicht und einem gerichtetes Kohlefasermaterial
enthaltenden Träger,
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2 ein
Diagramm mit Vorzugsrichtungen, in die Kohlefasern des Kohlefasermaterials
ausgerichtet sind und
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3 eine
weitere Röntgenanode
mit einem anderen Träger.
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1 zeigt
eine als Drehanode ausgeführte
Röntgenanode 2,
die beispielsweise innerhalb eines nicht dargestellten Gehäuses einer
Drehstrahlröhre
sein kann. Die Röntgenanode 2 weist
eine Emissionsschicht 4 und einen die Emissionsschicht 4 tragenden
Träger 6 auf,
der thermisch mit einem nicht dargestellter Kühlmittelkreislauf verbunden
ist und – wie
die Emissionsschicht 4 – bezüglich einer Rotationsachse 8 rotationssymmetrisch
ist. Er umfasst einen zylindrischen, metallischen Kern 10,
ein metallisches Gehäuse 12 aus
Molybdän mit
einer Außenwand 14 und
einer Stirnwand 16 und einen rotationssymmetrischen Ring 18 mit
einem Trägermaterial,
das aus einem metallisierten Kohlefasermaterial 20 mit
fünf gerichteten
Anteilen 22, 24, 26, 28, 30 gebildet
ist. Jeder der Anteile 22, 24, 26, 28, 30 enthält Kohlefasern
mit einer mitt leren Länge
von 2 mm, von denen über
95% in einer vorbestimmten, zum jeweiligen Anteil 22, 24, 26, 28, 30 zugehörigen Vorzugsrichtung ausgerichtet
sind mit einer Abweichung von maximal ± 5°. Auf diese Weise sind im Wesentlichen
alle Kohlefasern des Trägermaterials
in eine vorbestimmte Vorzugsrichtung ausgerichtet.
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Die
Kohlefasern sind in zwei Kohlefasertypen aufgeteilt, die sich in
ihren Eigenschaften unterscheiden. Der Typ 1 zeichnet sich durch
eine hohe Wärmeleitfähigkeit
in Axialrichtung aus.
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Der
Typ 2 zeigt einen großen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
in Radialrichtung und seine Kohlefasern sind weniger spröd- und kerbempfindlich
als die Kohlefasern des Typ 1. Die Wärmeleitfähigkeit des Typ 2 in Axialrichtung
ist geringer als die des Typs 1 und spielt im Wesentlichen keine
Rolle. Einige Eigenschaften sind im Einzelnen bei Raumtemperatur:
Typ
1 | | Wärmeleitfähigkeit | Wärmeausdehnungskoeff. |
| | (Wm–1K–1) | (ppm/K) |
| axial | 400
bis 1900 | –1,0 bis
0 |
| radial | 5
bis 40 | 5
bis 20 |
Typ
2 | axial | 20
bis 200 | –1,0 bis
0 |
| radial | 5
bis 50 | 5
bis 20 |
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Die
Kohlefasern im Anteil 22 sind ausschließlich Kohlefasern vom Typ 1
und sind parallel zur Rotationsachse 8 und somit zur Emissionsschicht 4 hin
ausgerichtet. Ihnen ist die Aufgabe zugewiesen, möglichst viel
Wärme pro
Zeit von der Emissionsschicht 4 abzuführen. Die Kohlefasern der Anteile 24, 26, 28, 30 sind ausschließlich Kohlefasern
vom Typ 2, denen die Aufgabe zugewiesen ist, einen gewünschten
Wärmeausdehnungskoeffizienten
in Radialrichtung 34 (2) zu gewährleisten.
Sie sind schraubenförmig
um die Rotationsachse 8 ausgerichtet, wobei die Schraubenform
durch eine Vielzahl von nebeneinander und hintereinander angeordneten
Kohlefasern und nicht durch einzelne Kohlefasern alleine zustande
kommt. Die Kohlefasern der Anteile 26 und 28 sind
in der Richtung eines rechtsdrehenden Gewindes angeordnet und die
Kohlefasern der Anteile 24 und 30 sind in der
Richtung eines linksdrehenden Gewindes angeordnet, so dass sich
durch die gegenläufigen
Schraubenbahnen der Anteile 24, 26 und der Anteile 28, 30 jeweils
ein Geflecht von Kohlefasern ergibt.
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Zur
Verdeutlichung der Ausrichtungen zeigt 2 schematisch
die Axialrichtung 32 der Röntgenanode 2, die
parallel zur Rotationsachse 8 ist, die Tangentialrichtung 34 um
die Rotationsachse 8, mit der auch die Azimutalrichtung
innerhalb der Röntgenanode 2 verstanden
werden soll, und zwei Vorzugsrichtungen 36, 38, die
als Schraubenrichtungen angelegt sind. Die Kohlefasern der Anteile 26, 28 sind
mit einer maximalen Abweichung von ± 5° in der Vorzugsrichtung 36 angeordnet,
die einen Steigungswinkel α1 von 17° relativ
zur Tangentialrichtung 34 aufweist und eine rechtsdrehende
Schraubenrichtung ist. Die Kohlefasern der Anteile 24, 30 sind
mit einer maximalen Abweichung von ± 5° in der Vorzugsrichtung 38 angeordnet,
die einen Steigungswinkel α2 von ebenfalls 17° relativ zur Tangentialrichtung 34 aufweist
und eine linksdrehende Schraubenrichtung ist. Die Axialrichtung 32 entspricht
einer dritten Vorzugsrichtung 40, in der die Kohlefasern
des Anteils 22 ebenfalls mit einer maximalen Abweichung
von ± 5° ausgerichtet
sind.
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Durch
den großen
Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Kohlefasern des Typs 2 in Axial- und Radialrichtung der Kohlefasern
kann der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Trägermaterials
in Radialrichtung der Röntgenanode 2 in
Abhängigkeit
von den Steigungswinkeln α1, α2 der Kohlefasern der Anteile 24, 26, 28, 30 in
vorbestimmten Grenzen eingestellt werden und an den Wärmeausdehnungskoeffizient
der Emissionsschicht 4 oder einer anderen Schicht angepasst
werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Trägermaterials
in Radialrichtung der Röntgenanode 2 steht
hierbei zusätzlich
in einer Abhängigkeit
zur Menge der Kohlefasern der Anteile 22, 24, 26, 28, 30 relativ
zur Menge des die Kohlefasern umgebenden Metalls. In dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
nehmen die Kohlefasern 2/3 des Volumens und das Metall 1/3 des Volumens
des Trägermaterials
ein. Das Gehäuse 12 ist
nicht als Trägermaterials
bezeichnet. Dieses Volumenverhältnis
kann in Abhängigkeit
von den Anforderungen an die Röntgenanode 2 eingestellt
werden, wobei sich ein Volumenanteil von 50% bis 90% der Kohlefasern
als vorteilhaft herausgestellt hat.
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Zur
Erzielung einer besonders guten Wärmeableitung aus der Emissionsschicht 4 ist
der Träger 6 mit einer
der Emissionsschicht 4 am nächsten liegenden ersten kohlefaserhaltigen
Schicht 42 versehen, unter der eine von der Emissionsschicht 4 weiter
entfernte zweite kohlefaserhaltige Schicht 44 angeordnet
ist, die einen höheren
Kohlefaseranteil aufweist als die erste Schicht 42. Die
mechanische Stabilität
verleihenden und den Wärmeausdehnungskoeffizienten
einstellenden Kohlefasern des Typs 2 sind in der oberen Schicht 42 reduziert,
so dass die Wärmeleitung
dort ungestört
durch die Kohlefasern des Anteils 22 und das Metall erfolgen kann.
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Während eines
Röntgenbetriebs
werden Elektronen aus einer nicht dargestellten Kathode auf die Röntgenanode 2 beschleunigt
und treffen, wie durch einen Pfeil 46 angedeutet, in einem
radial äußeren Bereich
der Röntgenanode 2 auf
die Emissionsschicht 4 auf. Währenddessen rotiert die Röntgenanode 2 mit
einer Frequenz von 250 Hz um die Rotationsachse 8. Durch
die Rotation treffen die Elektronen auf einen Brennring der Emissionsschicht 4,
der oberhalb des Außenrings 18 liegt.
Im Brennring wird durch Bremsvorgänge Röntgenstrahlung 48 und
ein großer
Anteil an Wärme
erzeugt, der die Emissionsschicht 4 aufheizt. Die Wärme wird
durch die dünne
Stirnwand 16 auf das Trägermaterial
des Außenrings 18 übertragen
und hauptsächlich durch
die Kohlefasern des Anteils 22 parallel zur Rotationsachse 8 von
der Emissionsschicht 4 weggeführt. Durch die Aufheizung der
Emissionsschicht 4 dehnt diese sich aus. Die Kohlefasern
der Anteile 22, 24, 26, 28, 30 sind
so in Menge und Anordnung ausgewählt,
dass das Trägermaterial
einen an die Emissionsschicht 4 in Radialrichtung angepassten
Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der in einem Bereich von 0,5 × 10–6/°K gleich dem
der Emissionsschicht 4 ist. Die Kohlefasern der Anteile 24, 26 sorgen
zusätzlich
für eine
mechanische Stabilität,
die die Röntgenanode 2 auch
bei hohen Drehzahlen vor Unwuchten schützt. Da die Kohlefasern bis zu
einer Temperatur von 2200°C
nicht kriechen, ist eine Langzeitstabilität bezüglich der Geometrie gegeben und
einem Unwuchtaufbau wird entgegengewirkt. Je nach Anforderung an
Wärmeausdehnung
und mechanischer Stabilität
können
die Mengen der Kohlefasern der Anteile 24, 26 zu
den Anteilen 28, 30 variiert werden.
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Zur
Herstellung der Röntgenanode 2 wird
der Kern 10 im Gehäuse 12 zentriert,
so dass ein ringförmiger
Zwischenraum zwischen Kern 10 und Außenwand 14 gebildet
wird. Anschließend
werden mehrere Lagen von Kohlefasermaterial 20 in Gewebe-
oder Geflechtform an die Außenwand 14 und
an den Kern 10 gebracht, die die Anteile 24, 26 und
einen Teil des Anteils 22 bilden. Dann können in
einem lockereren Geflecht die Kohlefasern in das Innere gebracht
werden, die die Anteile 28, 30 und den weiteren
Teil des Anteils 22 bilden. Die Kohlefasern können als
Gewebe- oder Geflechtmatten eingebracht werden, in denen die Kohlefasern
bereits in den gewünschten
Vorzugsrichtungen 36, 38, 40 angeordnet
sind, wobei mehrere voneinander verschiedene Matten abwechselnd
ineinander gelegt werden, um das Geflecht mit den gegenläufigen Schraubenbahnen
zu bilden. Zur Erleichterung einer Benetzung der Kohlefasern mit
Metall sind diese mit Cr-Karbid, W-Carbid oder Mo-Carbid oder einer
Kombination von zumindest zwei dieser Carbide oder mit Kobalt beschichtet.
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Nach
Fertigstellung des Geflechts wird dieses mit einem sehr gut Wärme leitenden
Metall, z.B. Kupfer oder Silber, getränkt. Das nun das Kohlefasermaterial 20 metallisierende
Metall dient hierbei als Lot zur Verbindung des Trägermaterials
mit der Stirnwand 16 des Gehäuses 12, auf die die
Emissions schicht 4 aufgebracht ist. Zur alternativen oder
weiteren Verbesserung der Benetzung kann das Metall mit einer geringen
Zulegierung eines Zusatzmetalls versehen sein, das ein Carbidbildner
ist und/oder die Verbindung mit den Kohlefasern oder den Carbiden
und den Lötprozess
mit der Stirnwand 16 verbessert. Zur Vermeidung von Hohlräumen im
Trägermaterial
wird das Trägermaterial
mit dem flüssigen
Metall heiß isostatisch
gepresst.
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3 zeigt
eine alternative Röntgenanode 48 mit
einer Emissionsschicht 4 auf einem Träger 50, dessen Trägermaterial
Kohlefasermaterial 56 mit drei gerichteten Anteilen 22, 52, 54 aufweist.
Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf
die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel
in den 1 und 2, auf das bezüglich gleichbleibender
Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Im Wesentlichen gleichbleibende
Bauteile sind grundsätzlich
mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Das Kohlefasermaterial 56 umfasst
Kohlefasern des Anteils 22, die genau so ausgeführt und
ausgerichtet sind wie die Kohlefasern des Anteils 22 in 1.
Die Anteile 52, 54 des Kohlefasermaterials 56 sind
analog zu den Anteilen 28, 30 ausgerichtet und
sind jeweils in einer Gewebe- oder Geflechtmatte aus Kohlefasermaterial 56 zusammengehalten, die
in Spiralen um die Rotationsachse 8 gewickelt sind. Die
Kohlefasern des Anteils 52 sind solche des Typs 1 und die
des Anteils 54 solche des Typs 2.
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Zur
Herstellung der Röntgenanode 48 wird
die Emissionsschicht 4 mit einer metallischen Schicht 58 versehen,
die bei einem Angießen
von Metall 60, das das Kohlefasermaterials 56 tränken soll,
als Lot wirkt. An diese Schicht 58 wird – ggf. mit
einem vorläufigen
Hilfsgehäuse – das Kohlefasermaterial 56 aus
zwei in Radialrichtung aufweitend gewickelte Matten gebracht. Die
Matten umfassen jeweils eine Schicht aus im Träger 50 in Axialrichtung
ausgerichteten Kohlefasern des Anteils 22 und eine Schicht
aus Kohlefasern, die mit einem Steigungswinkel α1, α2 von
jeweils 19° zur
Tangentialrichtung 34 ausgerichtet sind. Bei einem Aufrollen der
beiden Matten entsteht eine wiederholende Schichtenfolge von vier
Schichten, nämlich
einer Schicht mit Anteil 22, einer Schicht mit schraubenförmig angeordneten
Kohlefasern des Anteils 52, wieder eine Schicht mit Anteil 22 und
eine Schicht mit gegenläufig
schraubenförmig
angeordneten Kohlefasern des Anteils 54, so dass die Kohlefasern
der Anteile 52, 54 für sich ein Geflecht in gegenläufiger Schraubenform
bilden. Die Kohlefasern können
mit einem Carbid oder Metall beschichtet sein und werden anschließend mit
dem Metall 60 getränkt,
wie zu 1 beschrieben. Durch das zumindest teilweise Aufschmelzen
der Schicht 58 wird das Kohlenfasermaterial 56 mit
der Emissionsschicht 4 verbunden. Durch die regelmäßige Reihenfolge
der Schichten aus Kohlefasern des Typs 1 und des Typs 2 ergeben
sich homogene Materialeigenschaften, die eine dauerhaft hohe Stabilität des Trägers 50 begünstigen.