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Die Erfindung betrifft eine Röntgenanode mit einer Emissionsschicht und einem unter der Emissionsschicht angeordneten 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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Aus der
DE 103 01 069 A1 ist ein Träger bekannt, bei dem die Wärmeleitfähigkeit im Träger von der Emissionsschicht weg durch gerichtetes Kohlefasermaterial im Träger abgeleitet wird.
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Eine sehr hitzeunempfindliche Röntgenanode ist in der
US 5,825,848 offenbart, bei der eine Kohlenstoffmatrix aus dem Träger bis in die Emissionsschicht geführt ist, so dass ein Bruch zwischen Emissionsschicht und Träger durch das durchgehende Trägermaterial verhindert wird.
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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 Eingangs genannten Art, beider 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 werden, 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 zusammen 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 anderen Typ, den gewünschte Wärmeausdehnungskoeffizienten in vorgesehener Richtung zu schaffen.
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Durch den geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Längsrichtung 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 Rotationsachse 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. Vorteilhafter weise 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 mittleren 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. 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.
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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 α2, 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 Emissionsschicht 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.
