DE102008052363B4 - Anode for an X-ray tube - Google Patents
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Abstract
Anode (16) für eine Röntgenröhre (2) mit einem Target (14) zur Erzeugung einer Röntgenemission, welches aus einem Verbundmaterial aus einem die Röntgenemission hervorrufenden Matrixmaterial (32) und darin eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren (30) besteht.An anode (16) for an X-ray tube (2) having a target (14) for generating an X-ray emission consisting of a composite material of an X-ray emitting matrix material (32) and carbon nanotubes (30) embedded therein.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anode, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anode sowie eine Röntgenquelle mit einer solchen Anode, wie sie beispielsweise aus der
In heutigen Röntgenröhren, wie sie beispielsweise in der Medizintechnik eingesetzt werden, wird zur Erzeugung einer Röntgenemission ein hochenergetischen Elektronenstrahl, dessen typische Energie im Bereich von 120 kV und einigen tausend mA liegt, auf das Target einer Anode gerichtet. Das Target, welches typischerweise aus Wolfram besteht, ist beispielsweise in den Grundkörper eingelassenen oder auf dessen Oberfläche angeordnet. Die in dem Targetmaterial abgebremsten Elektronen erzeugen die von der Röntgenröhre ausgehende Röntgenemission. Bei diesem Prozess wird lediglich ein geringer Bruchteil der in das Target eingebrachten Energie in Strahlung umgewandelt; der Großteil der Energie fällt in Form von Verlustwärme in dem Target an. Aus diesem Grund ist die maximal erzielbare Röntgenemissionsleistung einer Röntgenröhre durch die thermische Belastbarkeit, d. h. im Wesentlichen durch die Schmelztemperatur des Targetmaterials begrenzt.In today's x-ray tubes, as used for example in medical technology, a high-energy electron beam whose typical energy is in the range of 120 kV and several thousand mA, is directed to the target of an anode to generate an x-ray emission. The target, which typically consists of tungsten, is for example embedded in the main body or arranged on its surface. The electrons decelerated in the target material generate the X-ray emission from the X-ray tube. In this process, only a small fraction of the energy introduced into the target is converted to radiation; most of the energy accumulates in the form of heat loss in the target. For this reason, the maximum achievable X-ray emission performance of an X-ray tube is due to the thermal capacity, ie. H. essentially limited by the melting temperature of the target material.
Moderne Röntgenröhren verwenden aus diesem Grund eine rotierende Anode, z. B. einen mit Wolfram beschichteten TZM, der mit hoher Geschwindigkeit unter dem zur Erzeugung der Röntgenstrahlung verwendeten Elektronenstrahl rotiert. Die im Fokus, d. h. am Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf das Target, in dieses bzw. die Anode eingebrachte Verlustwärme wird durch die Rotation der Anode, im Vergleich zu Röntgenröhren mit feststehenden Anoden, auf ein größeres Volumen verteilt, so dass auch bei hohen Leistungen der Röntgenröhre die Temperatur des Target im Fokus unterhalb von dessen Schmelztemperatur gehalten werden kann.Modern x-ray tubes therefore use a rotating anode, e.g. As a tungsten coated TZM, which rotates at high speed under the electron beam used to generate the X-radiation. The focus, d. H. At the point of impact of the electron beam on the target, in this or the anode introduced heat loss is distributed by the rotation of the anode, compared to X-ray tubes with fixed anodes to a larger volume, so that even at high powers of the X-ray tube, the temperature of the target in Focus below its melting temperature can be maintained.
Die
In der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Anode, ein Verfahren zur Herstellung einer Anode sowie eine Röntgenquelle mit einer solchen Anode anzugeben, mit der es möglich ist höhere Röntgenemissionsleistungen zu erzielen.The object of the present invention is to specify an anode, a method for producing an anode and an X-ray source with such an anode, with which it is possible to achieve higher X-ray emission powers.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anode mit den Merkmalen nach Anspruch 1, eine Röntgenröhre mit den Merkmalen nach Anspruch 12 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Anode nach Anspruch 14 oder 17.The object is achieved by an anode with the features of claim 1, an X-ray tube with the features of
Die erfindungsgemäße Anode für eine Röntgenröhre umfasst ein Target zur Erzeugung einer Röntgenemission, welches aus einem Verbundmaterial aus einem die Röntgenemission hervorgerufenen Matrixmaterial und darin eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren besteht.The anode for an X-ray tube according to the invention comprises a target for generating an X-ray emission, which consists of a composite material of a matrix material caused by the X-ray emission and carbon nanotubes embedded therein.
Der Konstruktion einer solchen Anode liegen die folgenden Überlegungen zu Grunde:
Die Röntgenemissionsleistung herkömmlicher Röntgenröhren ist maßgeblich durch die Schmelztemperatur des verwendeten Anoden- bzw. Targetmaterials begrenzt. Die Röntgenemissionsleistung kann also nicht beliebig durch einfache Erhöhung der Leistung des auf das Target gerichteten Elektronenstrahls gesteigert werden, da anderenfalls das Targetmaterial aufzuschmelzen droht, wodurch die Anode zerstört würde. Es wurde erkannt, dass zur Leistungssteigerung einer Röntgenröhre eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Targets praktisch unumgänglich ist. Erfindungsgemäß wird also die Wärmeleitfähigkeit des Targetmaterials verbessert, wodurch eine raschere Abfuhr der thermische Verlustleistung aus dem Bereich des Fokus in einen Grundkörper der Anode möglich wird. Bedingt durch die größere Wärmeleitfähigkeit des Targetmaterials kann die Leistung des zur Erzeugung der Röntgenemission verwendeten Elektronenstrahls gesteigert werden, ohne dass ein Aufschmelzen des Targets im Fokus zu befürchten ist.The construction of such an anode is based on the following considerations:
The X-ray emission power of conventional X-ray tubes is significantly limited by the melting temperature of the anode or target material used. The X-ray emission performance can therefore not be arbitrarily increased by simply increasing the power of the electron beam directed at the target, since otherwise the target material threatens to melt, whereby the anode would be destroyed. It has been recognized that improving the thermal conductivity of the target is virtually essential to enhance the performance of an X-ray tube. According to the invention, therefore, the thermal conductivity of the target material is improved, whereby a faster dissipation of the thermal power loss from the range of focus in a main body of the anode is possible. Due to the greater thermal conductivity of the target material, the power of the electron beam used to generate the X-ray emission can be increased without focussing of the target in the focus.
Eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Targetmaterials wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass als Material für das Target ein Verbundmaterial eingesetzt wird, welches aus einem Matrixmaterial und darin eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren besteht. Ein solches Verbundmaterial ist besonders vorteilhaft. Das Matrixmaterial liefert nach wie vor die gewünschte Röntgenemission bzw. Emissionscharakteristik. Es ist nicht notwendig auf ein alternatives Material, welches zwar gegebenenfalls besser wärmeleitfähig ist, jedoch nicht die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Röntgenemission aufweist, auszuweichen. Gleichzeitig kann die Wärmeleitfähigkeit des Targets durch die in dem Verbundmaterial eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren wesentlich verbessert werden.An improvement in the thermal conductivity of the target material is achieved according to the invention in that a composite material which consists of a matrix material and carbon nanotubes embedded therein is used as the material for the target. Such a composite material is particularly advantageous. The matrix material still provides the desired X-ray emission or emission characteristic. It is not necessary to resort to an alternative material which may be more thermally conductive but may not have the desired X-ray emission properties. At the same time, the thermal conductivity of the target can be substantially improved by the carbon nanotubes embedded in the composite material.
Es sind nun Konstruktionsgeometrien zwischen dem Grundkörper einer Anode und einem mit diesem verbundenen Target denkbar, bei denen es vorteilhaft ist, wenn das Target bezüglich seiner Wärmeleitfähigkeit eine Vorzugsrichtung aufweist. Beispielsweise kann eine solche Vorzugsrichtung in Richtung einer besonders großflächigen Kontaktfläche zwischen Target und Grundkörper der Anode gerichtet sein, so dass die in dem Target anfallende Verlustwärme effektiv an den Grundkörper der Anode abgegeben werden kann. Gemäß einer ersten Ausführungsform sind daher die Kohlenstoffnanoröhren in einer Vorzugsrichtung orientiert. Unter einer Vorzugsrichtung ist in diesem Fall die Summe der Richtungen der in dem Verbundmaterial eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren zu verstehen, wobei die Richtung einer einzelnen Kohlenstoffnanoröhre beispielsweise anhand der Richtung der Verbindungslinie zwischen deren Anfangs- und Endpunkt festgelegt werden kann. There are now design geometries between the main body of an anode and a target associated with this conceivable, in which it is advantageous if the target has a preferred direction with respect to its thermal conductivity. For example, such a preferred direction may be directed in the direction of a particularly large-area contact surface between the target and the main body of the anode, so that the heat loss incurred in the target can be effectively delivered to the main body of the anode. According to a first embodiment, therefore, the carbon nanotubes are oriented in a preferred direction. In this case, a preferred direction means the sum of the directions of the carbon nanotubes embedded in the composite material, wherein the direction of a single carbon nanotube can be determined, for example, from the direction of the connecting line between its start and end points.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn, gemäß einer weiteren Ausführungsform, die Vorzugsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Grenzfläche zwischen dem Target und dem Grundkörper der Anode orientiert ist. In diesem Fall wird die in dem Target anfallende Verlustwärme auf dem kürzesten Weg in Richtung des Grundkörpers der Anode abtransportiert.It is particularly advantageous if, according to a further embodiment, the preferred direction is oriented substantially perpendicular to an interface between the target and the main body of the anode. In this case, the heat loss arising in the target is transported away in the shortest path in the direction of the main body of the anode.
Für eine effektive Abfuhr der Verlustwärme aus dem Targetmaterial ist insbesonders entscheidend, dass diese effektiv bis direkt an die Grenzfläche zwischen dem Target und dem Grundkörper der Anode transportiert wird. Aus diesem Grund sind, gemäß einer weiteren Ausführungsform, die Kohlenstoffnanoröhren derart in dem Matrixmaterial eingebettet, dass sich deren eines Ende im Bereich einer Grenzfläche zwischen dem Grundkörper der Anode und dem mit diesem verbundenen Target befindet. Die Kohlenstoffnanoröhren erstrecken sich ausgehend von diesem Bereich in das Matrixmaterial hinein.For an effective dissipation of the heat loss from the target material is particularly crucial that this is effectively transported up to the interface between the target and the main body of the anode. For this reason, according to a further embodiment, the carbon nanotubes are embedded in the matrix material such that one end thereof is in the region of an interface between the main body of the anode and the target connected thereto. The carbon nanotubes extend into the matrix material starting from this region.
Zur Herstellung einer Anode stehen zwei alternative erfindungsgemäße Verfahren zur Verfügung.Two alternative methods according to the invention are available for producing an anode.
Gemäß einer ersten Verfahrensvariante wird in einem Beschichtungsbereich, der zumindest einen Teil der Oberfläche eines Grundkörpers der Anode einnimmt, eine Keimschicht aufgebracht. Anschließend werden Kohlenstoffnanoröhren in dem Beschichtungsbereich aufgewachsen, daran anschließend wird ein Matrixmaterial in dem Beschichtungsbereich deponiert. Vorzugsweise werden die auf die Keimschicht aufgewachsenen Kohlenstoffnanoröhren, bevor das Matrixmaterial deponiert wird, ausgelagert. Dieser zwischengeschaltete Auslagerungsschritt, der wiederum vorzugsweise unter Vakuum erfolgt, dient dazu Defekte in den Kohlenstoffnanoröhren auszuheilen.According to a first variant of the method, a seed layer is applied in a coating region which occupies at least part of the surface of a base body of the anode. Subsequently, carbon nanotubes are grown in the coating area, subsequently a matrix material is deposited in the coating area. Preferably, the carbon nanotubes grown on the seed layer are deposited before depositing the matrix material. This interposed Auslagerungsschritt, which in turn is preferably carried out under vacuum, serves to heal defects in the carbon nanotubes.
Gemäß einer zweiten Verfahrensvariante wird zunächst eine Ausgangssubstanz aus Kohlenstoffnanoröhren und einem Matrixmaterial bereitgestellt. Auch die in dieser Verfahrensvariante verwendeten Kohlenstoffnanoröhren können zuvor einem Auslagerungsschritt, der dem Ausheilen von Defekten dient, unterzogen werden. Die Kohlenstoffnanoröhren und das Matrixmaterial werden nun vermischt. Anschließend wird die Ausgangssubstanz gesintert, der entstandene Sinterkörper wird im Anschluss auf einen Grundkörper der Anode aufgebracht.According to a second variant of the method, initially a starting substance of carbon nanotubes and a matrix material is provided. The carbon nanotubes used in this process variant can also be subjected beforehand to an aging step which serves for the healing of defects. The carbon nanotubes and the matrix material are now mixed. Subsequently, the starting substance is sintered, the resulting sintered body is subsequently applied to a main body of the anode.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anode, der erfindungsgemäßen Röntgenquelle mit einer solchen Anode sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Anode gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie insbesondere aus der Beschreibung hervor.Further advantageous embodiments of the anode according to the invention, the X-ray source according to the invention with such an anode and the method according to the invention for producing an anode are apparent from the subclaims not mentioned above and in particular from the description.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung weiter erläutert, dabei zeigt derenIn the following, the invention will be further explained with reference to the figures of the drawing, wherein shows their
Bei dem auf der Oberfläche des tellerförmigen Grundkörpers
Die
Ein Beispiel für eine diskontinuierliche Schicht ist in
Es können verschiedene Formen von Kohlenstoffnanoröhren
In einem weiteren Verfahrensschritt, dessen Ergebnis in
Das Matrixmaterial
Um eine möglichst gute thermische Verbindung zwischen dem Target
Prinzipiell sind zwei verschiedene Verfahrensvarianten denkbar, ein erster nasschemischer und ein zweiter trockener/pulverbasierter Prozess.In principle, two different process variants are conceivable, a first wet-chemical and a second dry / powder-based process.
Bei beiden Verfahrensvarianten werden zunächst Kohlenstoffnanoröhren
Gemäß der ersten/nasschemischen Prozessvarianten werden das Matrixmaterial
Auch bei dem Sinterkörper beträgt der Anteil der Kohlenstoffnanoröhren
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