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In
der Computertomographie braucht man für die zukünftigen Geräte zur besseren Bildqualität besondere
Brennfleckqualitäten
bei den Röntgenröhren. Diese
Brennfleckqualitäten
zeichnen sich dadurch aus, dass die Brennflecke auf dem Anodenteller
kleiner werden sollen; gleichzeitig braucht man eine höhere Belastbarkeit
als es derzeit üblich
und mit den bekannten Anordnungen möglich ist. Dies bedeutet, dass
die Leistungsdichte deutlich steigen soll – also die kurzzeitige Wärmebelastung
und der kurzzeitige Temperaturhub.
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Die
bekannten, zur Verfügung
stehenden Materialien lassen diese Belastungssteigerung nicht zu.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
Anodendrehteller anzugeben, mit dem diese Ziele erreichbar sind.
Diese Aufgabe wird durch einen Anodendrehteller nach einem der Patentansprüche gelöst. Um die
auftretenden Kriechprozesse zu vermeiden oder zu begrenzen, sieht
die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller für Drehanodenröntgenröhren mit
einer auf ein Antriebszentrum (A) formschlüssig anzubringenden Tellerscheibe
(B) vor, die aus einem kriechbeständigen und gleichzeitig hoch
wärmeleitfähigen Werkstoff
mit hoher Thermoschockbeständigkeit
besteht. Durch diese Maßnahme
wird eine sehr hohe Kriechbeständigkeit
des Anodendrehtellers erreicht, mit deren Hilfe die angestrebte
Belastungssteigerung erreicht werden kann.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen dieser Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht einen Anodendrehteller vor, dessen Tellerscheibe
(B) einen keramischen Werkstoff enthält.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht einen Anodendrehteller vor, dessen Tellerscheibe
(B) eine Keramik aus Silizium-Carbid (SiC) enthält. Silizium-Carbid (SiC) hat
eine ähnliche
thermische Ausdehnung wie Molybdän
(Mo), ist aber kriechbeständig
und mit einer Dichte von ca. 3,15 kg/dm3 ca.
3,2-mal leichter als Molybdän
(Mo) und hat eine mit Mo vergleichbare Wärmeleitfähigkeit. Das besondere von
SiC ist die große
Thermoschockbeständigkeit;
diese resultiert aus der günstigen
Kombination von thermischer Ausdehnung, Elastizitäts-Modul,
Wärmeleitfähigkeit
und Wärmespeicherkapazität.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht einen Anodendrehteller vor, dessen Tellerscheibe
(B) eine Molybdän-Titan-Zirkonium-Legierung
(TZM) enthält.
TZM hat gewöhnlich
die Zusammensetzung Mo99/Ti 0.5/Zr 0.1.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht einen Anodendrehteller mit einer Tellerscheibe (B)
vor, auf der mit Formschlusselementen (C) ein Anodenring (D) angebracht
ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht einen Anodendrehteller mit einem Anodenring (D)
aus Graphit oder Silizium-Carbid (SiC) vor.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht einen Anodendrehteller mit einem Anodenring (D)
vor, der radial orientierte Kammern aufweist, in die Plättchen (E)
aus Pyrographit eingelegt sind.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht einen Anodendrehteller mit einem Anodenring mit
einer Beschichtung vor, die Wolfram (W) oder einer Wolfram-Rhenium-Legierung (WRe) enthält.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht einen Anodendrehteller mit einer Mehrzahl von Schlitzen
(G) im Anodenring (D) vor.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht einen Anodendrehteller mit einer Mehrzahl von Schlitzen
(G) in der Tellerscheibe (B) vor.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht einen Anodendrehteller vor, dessen Tellerscheibe
auch eine Titan-Zirkonium-Molybdän-Legierung
(TZM) enthält.
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Ein
erfindungsgemäßer Anodendrehteller kann
vorteilhaft durch ein Verfahren zur Herstellung eines Anodendrehtellers
nach einem der Verfahrensansprüche
hergestellt werden, insbesondere durch ein Verfahren, bei dem der
Anodenring (D) mit Formschlusselementen (C) auf die Tellerscheibe
(B) aufgelötet
wird.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines Anodendrehtellers ist ein Verfahren, bei dem
in einem einzigen Lötvorgang
eine Wärmeleitverbindung
von den Pyrographit-Plättchen
(E) zum Ringmaterial (D) und zur Tellerscheibe (C) hergestellt und
auf diese Weise ein Verbundmaterial hergestellt wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines Anodendrehtellers ist ein Verfahren, bei dem auf
dieses Verbundmaterial anschließend
mit Vakuum-Plasma-Spritzen eine Röntgenstrahlen erzeugende Schicht
aus Wolfram (W) oder Wolfram-Rhenium (WRe) aufgebracht wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines Anodendrehtellers ist ein Verfahren, bei dem zur
Reduzierung von eingefrorenen Wärmespannungen
aus dem Lötprozess
Schlitze (G) in den Anodenring (G) eingebracht werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines Anodendrehtellers ist ein Verfahren, bei dem zur
Reduzierung von im Betrieb entstehenden Wärmespannungen aus dem Lötprozess
Schlitzen (G) in im Wesentlichen radialer Richtung in die Tellerscheibe
(B) eingebracht werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
und mit Hilfe von Figuren näher
erläutert.
Dabei zeigt
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1 in
schematischer Weise eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Anodendrehtellers
als radiales Schnittbild durch den Anodendrehteller.
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Ein
Anodendrehteller für
Röntgengeräte umfasst
stets einen Brennfleckring (A), der sich mit hoher Drehzahl um ein
Tellerzentrum (C) dreht. Im Betrieb erhitzt sich der Brennfleck
und damit der Brennfleckring sehr stark, wodurch erhebliche Materialbelastungen
entstehen. Da die bekannten, zur Verfügung stehenden Materialien
für Anodendrehteller
die gewünschte
Steigerung der Belastbarkeit nicht zulassen geht die vorliegende
Erfindung davon aus, die mechanisch-konstruktiven Baumerkmale des
Anodendrehtellers zu ändern.
Dabei sollte die Geschwindigkeit des rotierenden Brennfleckmaterials
erhöht werden.
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Wenn
man jedoch bei den bekannten Drehanodentellern ohne Änderung
der mechanisch-konstruktiven Baumerkmale die Umdrehungsgeschwindigkeit
einfach erhöht,
dann käme
man in einen Materialbelastungsbereich, in dem aufgrund der erhöhten Fliehkraft
das Tellermaterial weg kriecht und damit nicht tolerierbare Unwuchten
entstehen.
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Man
könnte
diesen unerwünschten
Effekt zwar vermeiden, indem man den Durchmesser der Anodenteller
beispielsweise um 20% erhöht.
Dann käme
es bei Beibehaltung der bisherigen Drehfre quenz zu einer entsprechenden
Erhöhung
der Brennfleckgeschwindigkeit.
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Eine
Durchmessererhöhung
des Anodetellers führt
aber zu einer überproportionalen
Vergrößerung des
Röhrenstrahlers.
Die Röntgengeräte würden hierdurch
groß und
klobig, was in klinischen Umgebungen als störend empfunden wird. Eine Gewichtszunahme
des Anodentellers und die damit überproportionale
Erhöhung
des Gewichtes des Strahlers (Antriebkomponenten usw.) würden es
zudem kaum erlauben, die Rotationsgeschwindigkeit in der Gantry – wie es
der allgemeine Entwicklungstrend voraussagt – zu erhöhen. Denn die somit erhöhten Lagerbelastungen
würden
raumfordernde Konstruktionsmerkmale erfordern.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, den Anodenteller
nach Möglichkeit nicht
schwerer zu machen und trotzdem seine Drehfrequenz nach Möglichkeit
zu erhöhen.
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Wie
erwähnt,
erreicht man eine höhere Brennfleckleistung
auf der Brennbahn nur durch eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit,
wenn man den Tellerdurchmesser nicht vergrößern will. Um die auftretenden
Kriechprozesse zu vermeiden oder zu begrenzen, sieht die vorliegende
Erfindung einen Anodendrehteller für Drehanodenröntgenröhren mit
einer auf ein Antriebszentrum (A) formschlüssig anzubringenden Tellerscheibe
(B) vor, die aus einem kriechbeständigen und gleichzeitig hoch
wärmeleitfähigen Werkstoff
mit hoher Thermoschockbeständigkeit
besteht. Durch diese Maßnahme
wird eine sehr hohe Kriechbeständigkeit
des Anodendrehtellers erreicht, mit deren Hilfe die angestrebte
Belastungssteigerung erreicht werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung verfolgt und erreicht somit das Ziel, den
Anodenteller nicht schwerer zu machen und die Möglichkeit zu schaffen, seine Drehfrequenz
zu erhöhen.
Dazu sieht die Erfindung vor, neue Materialien unter die Brennfleckbahn
zu bringen, um die Wärme
schneller von der Brennfleckbahn in das tiefer gelegene Tellermaterial
zu bringen, und dabei – trotz
der höheren
Belastungstemperaturen – ein
Kriechen der Werkstoffe zu vermeiden.
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1 zeigt
in schematischer Weise einen Anodendrehteller, der diese Anforderungen
erfüllt: Auf
das Rotorsystem (also das Antriebszentrum) A wird in einem Formschluss
eine Tellerscheibe B gelötet.
Mit Vorteil besteht diese Scheibe B aus einem keramischen Werkstoff,
vorzugsweise aus Silizium-Carbid (SiC).
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Silizium-Carbid
(SiC) hat eine ähnliche
thermische Ausdehnung wie Molybdän
(Mo), ist aber kriechbeständig
und mit einer Dichte von ca. 3,15 kg/dm3 ca.
3,2-mal leichter als Molybdän
(Mo) und hat eine mit Mo vergleichbare Wärmeleitfähigkeit. Das besondere von
SiC ist die große
Thermoschockbeständigkeit;
diese resultiert aus der günstigen Kombination
von thermischer Ausdehnung, Elastizitäts-Modul, Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherkapazität. Anstelle
von SiC eignen sich auch andere, ähnliche Werkstoffe, beispielweise
Si3N4, in ähnlicher
Weise.
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Auf
die Tellerscheibe B wird mit Formschlusselementen C ein Anodenring
D aufgelötet.
Dieser Ring ist vorzugsweise aus Graphit – evtl. aus Hochleistungsgraphit
mit der Bruchfestigkeit 80 MPa. In einer anderen Ausführungsform
der Erfindung kann er auch aus Silizium-Carbid (SiC) bestehen.
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Der
Ring D enthält
vorzugsweise radial orientierte Rechteck-Kammern, in die Pyrographit-Plättchen E
eingesteckt werden. Die Wärmeleitverbindung
von E zum Ringmaterial D und zur Tellerscheibe C erreicht man in
einem Lötvorgang.
Auf dieses Verbundbauteil wird anschließend – vorzugsweise mit Vakuum-Plasma-Spritzen – eine Röntgenstrahlen erzeugende
Schicht, vorzugsweise aus Wolfram (W) mit oder ohne Wolfram-Rhenium-Legierung
(WRe) aufgebracht.
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Die
Bildung von Kammern, in die die Pyrographit-Plättchen eingelegt werden (entweder
einzeln oder mehrere zusammen), ist sehr hilfreich, denn die Pyrographit-Plättchen dehnen
sich in ihrer Tafelebene zwar nicht thermisch aus, aber in Dickenrichtung
der Tafelebenen ist die Ausdehnung mit ca. 24 mal 10–6 K–1 extrem
hoch. Wegen dieses großen Wertes
und wegen dieses anisotropen Verhaltens sind kompakte Körper nicht
sehr stabil bei Temperaturwechseln.
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Der
Vorteil der beschriebenen Ausführung liegt
darin, dass direkt unter der Brennfleckbahn das extrem hoch leitende
Pyrographit liegt. Dessen Wärmeleitfähigkeit
ist mit 1600 W/(m·K)
bei Raumtemperatur 12-mal so groß wie diejenige von Molybdän (Mo) – also dem
Werkstoff, der sonst üblicherweise direkt
unter der Brennbahn wäre.
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Zwar
nimmt die Wärmeleitfähigkeit
von Pyrographit mit zunehmender Temperatur ab – ist aber bei 800°C immer noch
3,5-mal höher
als diejenige von Molybdän
(Mo) bzw. TZM.
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Zur
Reduzierung der eingefrorenen Wärmespannungen
aus dem Lötprozess
kann man gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung Schlitze G einbringen, die nicht durchgängig sei
müssen,
sondern auch versetzt angeordnet sein können.
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Zur
Reduzierung der aus dem Betrieb entstehenden Wärmespannungen kann es sinnvoll
sein, in radialer Richtung oder leicht schräg dazu Schlitze einzubringen
(in den Graphit und/oder ins SiC).
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Ausführliche
Versuche haben folgendes zum Festigkeits- und Machbarkeitsnachweis
der Erfindung ergeben: Nimmt man in 1 einen
Außen-Durchmesser
von 200 mm und einen Innen-Durchmesser
von 140 mm für
den Graphitring D an, und nimmt man eine mittlere Dichte von 2 kg/dm3 für
die Bauteile D und E zusammen, dann erhält man bei einer Umdrehungszahl
von 200 Hz eine Umfangsspannung von 28 MPa im Graphitring D. Dies ist
ein sehr akzeptabler Wert bei einer Bruchfestigkeit von 50 MPa des
Standardgraphits.
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Zum
Vergleich: Ein herkömmlicher
Anodenteller mit Innen-Durchmesser
120 mm und Außen-Durchmesser
von 200 mm, einer Brennbahn aus Wolfram (W), sei 1 mm Dick; darunter
befinde sich eine Schicht aus 6 mm Mo und darunter 30 mm herkömmlicher
Graphit. Die Starttemperatur des Tellers sei 1000 K die Drehzahl
200 Hz, die elektrische Brennfleckgröße sei 8 × 1 mm2 (elektrisch),
die angestrebte Belastung sei 100 kW mit einer Dauer von 1 Sekunde.
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Eine
Modellrechnung liefert dann folgendes Ergebnis nach einer Sekunde
Belastung:
- • die
Brennfleckspitzentemperatur ist 2915 K.
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Die
obere Belastungsgrenze ist aber ca. 2400 K. Hier ist also eine dramatische Überbeanspruchung
von 500 K vorhanden.
- • Der Temperaturverlauf entlang
des Materials von der Brennbahn hin zum Graphit ergibt sich nach
1 Sekunde dergestalt, dass am Übergang
von W zu Mo ca. 1700 K anliegen und am Übergang Mo zum Graphit 1200K.
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Bei
einem Temperaturgefälle
von 1700 K an einem Übergang
zu Mo bzw. TZM führt
bei Temperaturwechselbeanspruchung erfahrungsgemäß zu baldiger Rissbildung.
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Ein
erfindungsgemäßer Drehteller
könnte wie
folgt aussehen: Zuerst kommt 1 mm starke Schicht aus Wolfram (W)
als Brennbahn. Darunter liege eine 20 mm starke Schicht aus Pyrographit
in axialer Richtung mit der für
dieses Material typischen temperaturabhängigen Wärmeleitfähigkeit. Die Schicht aus Pyrographit
sei für
diese Rechnung 30 mm in radialer Richtung breit. Darunter kommen
5 mm SiC mit einer Wärmeleitfähigkeit
von 100 W/m·K (als
unabhängig
von der Temperatur unterstellt) und einer temperaturabhängigen spezifischen
Wärme von
0,7 J/g·K
bei RT bis 1,3 J/g·K
bei 1000°c
und einer Dichte von 3,21 glcm3.
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Unterwirft
man diesen, einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung
entsprechenden Anodendrehteller der entsprechenden Modellrechung,
ergibt sich folgendes Ergebnis:
Die Brennneckspitzentemperatur
beträgt
nur noch 2509 K. Man hat also einen Gewinn in der Temperaturabsenkung
von 400 K. Der Temperaturverlauf entlang des Materials von der Brennbahn
hin zum Graphit ist nach 1 Sekunde so, dass am Übergang vom W zum Pyrographit
nur noch 1400 K anliegen und am Übergang
vom Pyrographit zum SiC ca. 1020 K. Dies sind Temperaturwerte, die
sowohl für
SiC als auch Mo/TZM auch beim Vorhandensein normaler Spannungen
keine Gefahr darstellen.
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Eine
andere vorteilhafte Ausführungsform
eines leichten und kriechbeständigen
Anodendrehtellers stellt folgende Ausführung dar: Die beispielhaft errechneten
Belastungsdaten zeigen, dass durch die neue Werkstoffabfolge und
durch den neuen Werkstoffeinsatz von Pyrographit die Betriebstemperatur der
Tellerscheibe im Bereich unterhalb der Brennbahn relativ niedrig
bleibt. Dies eröffnet
die Möglichkeit,
trotz der hohen Belastungen auch den üblichen Werkstoff TZM einzusetzen.
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Erfahrungen
mit der Temperaturbeanspruchung bei handelsüblichen Anodendrehtellern lassen den
Schluss zu, dass die Kriechdaten des Materials TZM ausreichen um
zu erreichen, dass die Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Anodendrehtellers im
Bereich der Nutzungsdauer des Gerätes beim Kunden liegt.