DE102009033607A1

DE102009033607A1 - Anode for X-ray tube of imaging X-ray device, has barrier layer arranged between carrier and emitter layer and made from material e.g. rhenium, osmium or hafnium, where anode is arranged above X-ray radiation emitting window

Info

Publication number: DE102009033607A1
Application number: DE102009033607A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Fürst; Manfred Dr. Rührig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-01-20

Abstract

The anode (3) has a barrier layer (9) arranged between a carrier (8) and an emitter layer (10) and made from material e.g. rhenium, osmium or hafnium, where the anode is arranged above an X-ray radiation emitting window. The carrier is made from material e.g. beryllium or aluminum, having smaller atomic number or made from carbon fiber-reinforced graphite. The carrier has thickness of 90 micrometers to 3 mm, and the emitter layer has thickness of 10 micrometers. The emitter layer is made from material e.g. tungsten, copper, molybdenum or tantalum, having large atomic number. An independent claim is also included for an X-ray device comprising an anode.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre und eine Anode für eine Röntgenröhre sowie ein Röntgengerät mit einer solchen Röntgenröhre.The The invention relates to an X-ray tube and a Anode for an X-ray tube as well X-ray machine with such an X-ray tube.

Röntgenröhren werden zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet. Röntgenstrahlung wird unter anderem in der bildgebenden medizinischen Diagnostik eingesetzt, bei der Untersuchung von Werkstoffen, oder bei der Durchleuchtung im Rahmen von Sicherheitsuntersuchungen.X-ray tubes are used to generate X-radiation. X-rays is used, among others, in medical imaging used, in the examination of materials, or in fluoroscopy as part of safety investigations.

Röntgenstrahlung wird typischerweise in Form von Bremsstrahlung erzeugt, die bei der Absorption hochenergetischer Elektronen in einer Anode entsteht. Dazu werden in einem Vakuum Elektronen von einer Kathode erzeugt und mittels Hochspannung in Richtung auf eine Anode beschleunigt. Der Elektronenstrahl wird auf der Anode fokussiert. In der Anode werden die Elektronen durch das Anoden-Material abgebremst, weshalb typischerweise ein Material mit hoher Ordnungszahl als Anoden-Material verwendet wird. Materialien bzw. Elemente mit hoher Ordnungszahl bewirken eine ausreichend starke Abbremsung der Elektronen. Beim Abbremsen entsteht die als Bremsstrahlung erzeugte Röntgenstrahlung, die für Untersuchungszwecke genutzt wird.X-rays is typically generated in the form of bremsstrahlung, which at the absorption of high-energy electrons in an anode arises. For this purpose, electrons are generated by a cathode in a vacuum and accelerated by means of high voltage in the direction of an anode. Of the Electron beam is focused on the anode. In the anode will be the electrons are decelerated by the anode material, which is why typically one High atomic number material is used as the anode material. Materials or elements with high atomic number cause sufficient strong deceleration of the electrons. When braking arises as the Brake radiation generated X-rays, which for Investigation purposes is used.

Diejenige Energie der Elektronen, die nicht in Bremsstrahlung umgewandelt wird, wird teilweise von dem Anodenmaterial aufgenommen und unter anderem in Wärme umgewandelt. Daher erhitzt sich die Anode beim Betrieb einer Röntgenröhre in hohem Maße. Das Anodenmaterial sollte daher zweckmäßigerweise thermisch hochstabil sein, um durch den Elektronenbeschuss nicht zerstört oder erodiert zu werden. Gleichzeitig sollte die Wärmeleitfähigkeit des Anodenmaterials möglichst hoch sein, um die überschüssige Wärme möglichst effektiv abzuleiten. Insbesondere wird Wärme vor allem im sogenannten Brennfleck, auf den der Elektronenstrahl fokussiert ist, erzeugt. Um punktuelle Überhitzung im Brennfleck zu vermeiden, ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit außerordentlich wichtig. Die Wärmeleitfähigkeit hilft demnach, die thermische Belastung der Anode zu minimieren.the one Energy of the electrons that are not converted into Bremsstrahlung is partially absorbed by the anode material and among others converted into heat. Therefore, the anode heats up when Operation of an X-ray tube to a high degree. The anode material should therefore expediently thermally stable so as not to be bombarded by electron bombardment to be destroyed or eroded. At the same time, the Thermal conductivity of the anode material as possible be high to the excess heat derive as effectively as possible. In particular, heat especially in the so-called focal spot on which the electron beam focused, generated. To point overheating in the focal spot To avoid high thermal conductivity is extraordinary important. The thermal conductivity thus helps to minimize the thermal load on the anode.

Ebenfalls erstrebenswert ist eine gute Temperaturwechselbelastbarkeit. Temperaturwechsel treten zum einen beim Anschalten und Abschalten des Elektrodenstrahls von der Kathode der Röntgenröhre auf. Zum anderen wird die Anode der Röntgenröhre typischerweise nicht dauerhaft in einem einzigen Brennfleck mit Elektronen beschossen, um eine punktuelle thermische Zerstörung der Anode im Brennfleck zu vermeiden. Stattdessen können beispielsweise sog. Drehanoden zum Einsatz kommen, die um sich selbst rotieren und somit den Elektronenbeschuss von einem singulären Brennfleck auf eine sich durch die Rotation ergebende Brennbahn verteilen. Oder es können Röntgenröhren zum Einsatz kommen, bei denen der Elektronenstrahl während des Betriebs auf wechselnde Punkte der Anode fokussiert wird; ein Beispiel sind sog. Drehkolbenröntgenröhren, die als ganzes rotieren, und bei denen ein ortsfester Röntgenstrahl dadurch erzeugt wird, dass der Brennfleck unabhängig von der Rotation der Röntgenröhre immer am selben ortsfesten Punkt erzeugt wird. Die ständig wechselnde Beaufschlagung der Anode durch Elektronenbeschuss an wechselnden Punkten der Anode bewirkt ebenfalls häufige Temperaturwechsel, so dass auch deshalb eine hohe Temperaturwechselbelastbarheit erstrebenswert ist.Also desirable is a good thermal shock resistance. Temperature change occur on the one hand when turning on and off the electrode beam of the cathode of the X-ray tube. On the other hand becomes the anode of the x-ray tube typically not permanently bombarded with electrons in a single focal spot, to a point thermal destruction of the anode in the focal spot to avoid. Instead, for example, so-called. Rotary anodes be used, which rotate around itself and thus the electron bombardment from a singular focal spot to a through the Distribute rotation resulting kerf. Or it can X-ray tubes are used in which the Electron beam during operation on changing points the anode is focused; an example are so-called Drehkolbenröntgenröhren, which rotate as a whole, and where a fixed x-ray beam is generated by the fact that the focal spot regardless of the rotation of the x-ray tube always at the same stationary point is generated. The constantly changing admission of the Anode by electron bombardment at alternating points of the anode also causes frequent temperature changes, so too Therefore, a high Temperaturwechselbelastbarheit desirable is.

Ein Material, das die vorangehend erläuterten Anforderungen in für die praktische Anwendung ausreichendem Maß erfüllt, ist beispielsweise metallisches Wolfram (W). Deshalb wird in kommerziell erhältlichen Röntgenröhren in der Regel metallisches Wolfram als Anodenmaterial verwendet. Die gängige Ausführungsform ist dabei die Drehanode, die thermische Belastung und Abnutzung des Anodenmaterials minimiert. Da Drehanoden zur besseren Kühlung und Wärmeabführung massiv und voluminös ausgeführt sind, nutzt man derzeit hauptsächlich die rückgestreute Bremsstrahlung oder die seitlich abgestrahlte Bremsstrahlung, wobei eine seitliche Abstrahlung durch eine spezielle angeschrägte Form der Anode erreicht wird. Ein Nachteil dieser Ausführungsformen ist die geringe Effizienz hinsichtlich der pro elektrischer Leistung erzeugten Röntgenquanten. Ein Großteil der eingesetzten Leistung wird in Wärme umgesetzt, die noch dazu aufwändig abgeführt werden muss.One Material that meets the requirements explained above sufficient for practical use, is, for example, metallic tungsten (W). Therefore, in commercial available x-ray tubes usually metallic tungsten used as the anode material. The common embodiment is the rotary anode, the thermal load and wear of the anode material is minimized. Because rotary anodes for better cooling and heat dissipation made massive and voluminous are currently used mainly the backscattered Bremsstrahlung or laterally radiated Bremsstrahlung, wherein a lateral radiation through a special bevelled Form of the anode is achieved. A disadvantage of these embodiments is the low efficiency in terms of per electric power generated X-ray quanta. Much of the used Performance is converted into heat, which is also time-consuming must be dissipated.

Aus der Druckschrift DE 2653547 ist eine Anode vorbekannt, die aus dünnen Wolframplättchen besteht. Die erzeugte Röntgenstrahlung wird nicht etwa seitlich abgestrahlt oder zurückgestreut, sondern stattdessen in Vorwärtsrichtung durch das Wolframplättchen hindurchtretend emittiert.From the publication DE 2653547 An anode is previously known which consists of thin tungsten plates. The generated X-radiation is not emitted laterally or backscattered, but instead emitted in a forward direction through the tungsten plate.

Aus der Druckschrift WO 96/29723 ist eine Anode bekannt, bei der die Emitterschicht aus einer dünnen Schicht eines Materials mit hoher Ordnungszahl, z. B. Wolfram, Kupfer, Molybdän, besteht. Sie ist auf einem Träger (oder auch Substrat) mit geringer Absorption aber guter Wärmeleitfähigkeit angeordnet, z. B. Berryllium, Aluminium. Die Emitterschicht ist so ausgelegt, dass das Material bei Elektronenbeschuss im Brennfleck gezielt aufschmilzt. Sobald der Schmelzprozess einsetzt, wird der Elektronenstrahl abgeschaltet und es wird entweder die Anode oder der Fokus des Elektronenstrahls so bewegt, dass der Brennfleck auf der Anodenoberfläche zu einer anderen Stelle wechselt. Sodann wird der Elektronenstrahl erneut eingeschaltet. Auf diese Weise wird die Röntgenröhre in einem gepulsten Betrieb verwendet und jeder Puls trifft eine neue Stelle auf der Anode.From the publication WO 96/29723 An anode is known in which the emitter layer consists of a thin layer of a high atomic number material, e.g. As tungsten, copper, molybdenum exists. It is arranged on a support (or substrate) with low absorption but good thermal conductivity, for. Berryllium, aluminum. The emitter layer is designed so that the material melts targeted at electron bombardment in the focal spot. Once the melting process begins, the electron beam is turned off and either the anode or the focus of the electron beam is moved so that the focal spot on the anode surface changes to another location. Then the electron beam is turned on again. In this way, the x-ray tube is used in a pulsed mode and every pulse hits a new spot on the anode.

Die vorbekannten Emittergeometrien, bei denen die Röntgenstrahlung in Vorwärtsrichtung emittiert wird, können einen verbesserten Wirkungsgrad erreichen. Allerdings ist aufgrund der verhältnismäßig dünnen Emitterschicht und des verhältnismäßig dünnen Trägers das Risiko eines Aufschmelzens des Anodenmaterials verhältnismäßig hoch. Durch ein Aufschmelzen im Brennfleck kommt es zur Vermischung zwischen dem Material der Emitterschicht und dem Material des Trägers, was zu einer Degradation des Anodenmaterials führt. Z. B. können sich niedrigschmelzende Eutektika bilden, die eine deutlich geringere Temperaturbeständigkeit aufweisen, als die Ausgangsmaterialien. Dies trifft vor allem für die Trägermaterialien Aluminium und Berrylium zu, die typischerweise vorgesehen sein können.The previously known emitter geometries in which the X-radiation is emitted in the forward direction, a achieve improved efficiency. However, due to the relatively thin emitter layer and relatively thin Carrier the risk of melting of the anode material relatively high. By a melting in the focal spot it comes to mixing between the material of the Emitter layer and the material of the carrier, resulting in a Degradation of the anode material leads. For example, you can form low-melting eutectics, which is a much lower Have temperature resistance, as the starting materials. This is especially true for the carrier materials Aluminum and berrylium, which may be typically provided.

Stattdessen kann jedoch auch Kohlenstoff als Material für den Träger gewählt werden, da Kohlenstoff aufgrund seiner geringen Ordnungszahl die entstehenden Röntgenstrahlen in Vorwärtsrichtung ebenso wie Alumium und Berrilium nur schwach absorbiert. Besonders geeignet sind hochtemperaturfeste und sehr gut wärmeleitende Graphitträger, z. B. reines Graphit oder kohlefaserverstärktes Graphit. Auch mit Kohlenstoff können die Materialien der Emitterschicht beim Aufschmelzen im Brennfleck niedrigschmelzende Verbindungen bilden, z. B. kann bei Verwendung von Wolfram als Emitterschicht W₂C und Wolframcarbid (WC) entstehen. Wolframcarbid schmilzt bereits bei Temperaturen zwischen 1.400° und 2.000° Celsius, während reines metallisches Wolfram erst bei 3.422° Celsius schmilzt. Ähnliches gilt für Molybdän und Tantal. Emitterschichten aus Wolfram, Molybdän oder Tantal sind daher, insbesondere falls sie auf Graphitträgern angeordnet sind, einen potentiell hohen thermischen Verschleiß ausgesetzt, obwohl sie in Reinform äußerst hohe Schmelzpunkte aufweisen.Instead, however, carbon may also be chosen as the material for the carrier, since carbon, due to its low atomic number, only weakly absorbs the resulting forward X-rays as well as aluminum and beryllium. Particularly suitable are high temperature resistant and very good heat conducting graphite support, z. As pure graphite or carbon fiber reinforced graphite. Even with carbon, the materials of the emitter layer can form low-melting compounds when melting in the focal spot, z. B. can arise when using tungsten as the emitter layer W ₂ C and tungsten carbide (WC). Tungsten carbide already melts at temperatures between 1,400 ° and 2,000 ° Celsius, while pure metallic tungsten melts only at 3,422 ° Celsius. The same applies to molybdenum and tantalum. Therefore, emitter layers of tungsten, molybdenum or tantalum, especially if they are arranged on graphite carriers, are exposed to potentially high thermal wear, although they have extremely high melting points in pure form.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anode sowie eine entsprechende Röntgenröhre und ein entsprechendes Röntgengerät anzugeben, bei der eine Degradation des Anodenmaterials und eine damit einhergehende Verschlechterung des Temperaturverhaltens unterbunden ist.The The object of the invention is an anode and a corresponding X-ray tube and a corresponding X-ray device in which a degradation of the anode material and a concomitant deterioration of the temperature behavior prevented is.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anode mit den Merkmalen des unabhängigen ersten Patentanspruchs sowie durch eine Röntgenröhre und ein Röntgengerät mit den Merkmalen der weiteren unabhängigen Patentansprüche.The Invention solves this problem by an anode with the features of the independent first claim and by a X-ray tube and an X-ray machine with the features of the further independent claims.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht in einer Anode für eine Röntgenröhre umfassend einen Träger und eine Emitterschicht, wobei zwischen Träger und Emitterschicht eine Barriereschicht angeordnet ist.One The basic idea of the invention consists in an anode for a X-ray tube comprising a support and an emitter layer, wherein between carrier and emitter layer a barrier layer is arranged.

Durch die zwischen den Träger und die Emitterschicht eingefügte Barriereschicht können Mischverbindungen zwischen dem Material der Emitterschicht und dem Material des Trägers verhindert werden. Stattdessen können zwar Mischungen zwischen dem Material der Emitterschicht und dem der Barriereschicht auftreten, bei geeigneter Wahl des Materials der Barriereschicht müssen diese jedoch nicht zu einer Degradation führen. Bei geeigneter Wahl des Barriere-Materials kann daher ein dauerhaft stabiles Temperaturverhalten der Anode gewährleistet werden. Eine derart konzipierte Anode kann mit ausreichend dünnen Emitterschichten und Trägern aufgebaut sein, um in einer effizienten vorwärts emittierenden Betriebsart betrieben zu werden. Sie kann jedoch auch in einer rückwärts oder seitwärts emittierenden Betriebsart vorteilhaft eingesetzt werden.By inserted between the carrier and the emitter layer Barrier layer can be mixed connections between the material prevents the emitter layer and the material of the carrier become. Instead, though, blends between the Material of the emitter layer and the barrier layer occur, with a suitable choice of the material of the barrier layer must However, these do not lead to degradation. If appropriate Choice of the barrier material can therefore a permanently stable temperature behavior the anode can be guaranteed. Such a concept Anode can with sufficiently thin emitter layers and Carriers will be built to move forward in an efficient manner operating mode to be operated. She can, however in a backward or sideways emitting Operating mode can be used advantageously.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Grundgedankens besteht darin, dass die Barriereschicht größtenteils aus einem Material besteht, das keine oder eine möglichst geringe Neigung zur Bildung von chemischen Verbindungen oder Mischverbindungen mit dem Material des Trägers oder zum Einbau von Bestandteilen des Materials des Trägers aufweist, insbesondere aus Rhenium (Rh) oder Osmium (Os).A advantageous development of the basic idea is that the barrier layer mostly of one material there is no or the least possible inclination for the formation of chemical compounds or mixed compounds with the material of the wearer or for the installation of components of the material of the carrier, in particular of rhenium (Rh) or osmium (Os).

Dadurch, dass das Material der Barriereschicht keine oder nur wenige Verbindungen mit dem Material des Trägers eingeht, sind insbesondere thermisch nachteilige Mischverbindungen wie Eutektika oder Peretektika oder ähnliches vermieden.Thereby, that the material of the barrier layer has little or no connections received with the material of the wearer are in particular thermal adverse mixed compounds such as eutectics or peretectics or the like avoided.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Barriereschicht größtenteils aus einem Material besteht, das mit Bestandteilen des Materials des Trägers vorwiegend hochschmelzende Verbindungen bildet, insbesondere mit Schmelzpunkten oberhalb von 4.000 K, insbesondere aus Hafnium (Hf).A Another advantageous development is that the barrier layer mostly consists of a material that with Components of the material of the carrier mainly high-melting compounds forms, in particular with melting points above 4,000 K, in particular from hafnium (Hf).

Dadurch, dass das Material der Barriereschicht mit dem Material des Trägers allenfalls hochschmelzende Verbindungen eingeht, ist eine Degradation vermieden und das thermische Aufschmelzverhalten kann sogar verbessert werden.Thereby, that the material of the barrier layer with the material of the wearer if necessary, high-melting compounds are involved, is a degradation avoided and the thermal melting behavior can even be improved become.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Träger größtenteils aus einem Material mit geringer Ordnungszahl besteht, insbesondere mit Ordnungszahlen kleiner als 14, insbesondere aus Beryllium (Be, Ordnungszahl 4) oder Aluminium (Al, Ordnungszahl 13).A further advantageous development is that the carrier consists largely of a material with a low atomic number, in particular with atomic numbers smaller than 14 , in particular of beryllium (Be, atomic number 4 ) or aluminum (Al, atomic number 13 ).

Ein Material mit geringer Ordnungszahl erlaubt das Durchtreten von Röntgenstrahlung, ohne diese in hohem Maße zu absorbieren. Daher wird dadurch eine Betriebsart ermöglicht, bei der die Röntgenstrahlung durch den Träger hindurch tritt und in Vorwärtsrichtung emittiert wird.One Low atomic number material allows the passage of X-radiation, without absorbing them to a great extent. Therefore, it will allows an operating mode in which the X-ray radiation passes through the carrier and in the forward direction is emitted.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Träger größtenteils aus Kohlenstoff (C, Ordnungszahl 6) besteht, insbesondere aus Graphit oder kohlefaserverstärktem Graphit.A further advantageous development is that the carrier consists largely of carbon (C, atomic number 6 ), in particular of graphite or carbon fiber reinforced graphite.

Graphit- sowie kohlefaserverstärktes Graphit weisen besonders hohe Temperaturfestigkeit auf und leiten Wärme besonders gut. Insbesondere kohlefaserverstärktes Graphit ist außerordentlich stabil. Wegen der geringen Ordnungszahl von Kohlenstoff ist darüber hinaus ein weitgehend absorptionsfreies Hindurchtreten von Röntgenstrahlung im Rahmen einer vorwärts emittierenden Betriebsart möglich.Graphite- and carbon fiber reinforced graphite have particularly high Temperature resistance and conduct heat particularly well. In particular, carbon fiber reinforced graphite is extraordinary stable. Because of the low atomic number of carbon is about it In addition, a largely absorption-free passage of X-radiation possible in the context of a forward-emitting operating mode.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche bzw. werden in der nachfolgenden Darstellung von Ausführungsbeispielen anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:Further advantageous developments are the subject of the dependent Claims or are in the following description of exemplary embodiments explained with reference to figures. Show it:

1 Röntgenröhre mit ortsfester Anode, 1 X-ray tube with fixed anode,

2 Röntgenröhre mit Drehanode, und 2 X-ray tube with rotary anode, and

3 Röntgengerät. 3 X-ray machine.

In 1 ist eine Röntgenröhre 1 mit ortsfester Anode 3 schematisch dargestellt. Die Röntgenröhre 1 umfasst einen Vakuumbehälter 4, der beispielsweise als Glaszylinder ausgeführt sein kann. Innerhalb des Vakuumbehälters 4 sind die wesentlichen Komponenten der Röntgenröhre 1 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen angeordnet.In 1 is an x-ray tube 1 with fixed anode 3 shown schematically. The x-ray tube 1 includes a vacuum container 4 , which can be designed for example as a glass cylinder. Inside the vacuum container 4 are the essential components of the x-ray tube 1 arranged to generate X-rays.

Eine Kathode 2 dient der Erzeugung von Elektronen. Sie liegt an einem im Vergleich zur Anode 3 stark negativen Potential. Durch den hohen Potential-Unterschied zwischen Kathode 2 und Anode 3 werden austretende Elektronen in Richtung der Anode beschleunigt. Die Kathode kann zudem beheizt sein, entweder indirekt oder durch den durch sie hindurchfließenden Strom, um den Austritt von Elektronen zu fördern. Eine Erhöhung der Elektronenausbeute kann auch durch Verwendung von Feldemitter-Kathoden, z. B. auf Basis von CNT (Carbon Nano Tubes), erreicht werden.A cathode 2 serves to generate electrons. It is located at one compared to the anode 3 strong negative potential. Due to the high potential difference between cathode 2 and anode 3 escaping electrons are accelerated towards the anode. The cathode may also be heated, either indirectly or through the current flowing through it, to promote the escape of electrons. An increase in electron yield can also be achieved by using field emitter cathodes, e.g. B. based on CNT (Carbon Nano Tubes) can be achieved.

Der in der Abbildung durch Pfeile angedeutete Elektronenstrahl wird durch Ablenkspulen auf die Anode fokussiert. Dazu sind mehrere Spulen oder Spulenpaare 5, 6 vorgesehen. Auf der Anode 3 trifft der fokussierte Elektronenstrahl im sog. Brennfleck auf.The electron beam indicated by arrows in the figure is focused onto the anode by means of deflection coils. These are several coils or pairs of coils 5 . 6 intended. On the anode 3 the focused electron beam hits the so-called focal spot.

Die Anode 3 ist über dem Röntgenstrahlungsaustrittsfenster 7 angeordnet. Das Austrittsfenster 7 ist Bestandteil des Vakuumkörpers 4 und besteht aus einem Material hoher Röntgenstrahlungsdurchlässigkeit, z. B. Berrilium. Andere Ausführungsformen des Austrittsfensters 7 können aus anderen Materialien hoher Röntgenstrahlungsdurchlässigkeit, also mit niedrigen Ordnungszahlen, bestehen, beispielsweise aus Aluminium oder Kohlenstoff.The anode 3 is above the X-ray exit window 7 arranged. The exit window 7 is part of the vacuum body 4 and is made of a high X-ray transmissivity material, e.g. B. Berrilium. Other embodiments of the exit window 7 may consist of other materials of high X-ray transmittance, ie with low atomic numbers, for example of aluminum or carbon.

Die von der Kathode 2 kommenden Elektronen treffen zunächst auf die Emitterschicht 10 der Anode 3 auf. Die Emitterschicht 10 besteht, zumindest überwiegend, aus einem Material hoher Ordnungszahl, beispielsweise Wolfram. Weitere Materialien mit ausreichend hohen Ordnungszahlen für die Emitterschicht 10 sind Kupfer, Molybdän oder Tantal. Die Emitterschicht 10 ist prinzipiell auf dem Träger 8 angeordnet, der gleichzeitig das Austrittsfenster 7 bildet.The from the cathode 2 coming electrons first hit the emitter layer 10 the anode 3 on. The emitter layer 10 consists, at least predominantly, of a material of high atomic number, for example tungsten. Other materials with sufficiently high atomic numbers for the emitter layer 10 are copper, molybdenum or tantalum. The emitter layer 10 is in principle on the carrier 8th arranged at the same time the exit window 7 forms.

Um eine Durchmischung von Emitterschicht mit Bestandteilen des Materials des Trägers 8 aufgrund eines Aufschmelzens bei starker Erwärmung durch Elektronenbeschuss im Brennfleck zu verhindern, ist zwischen Emitterschicht 10 und Träger 8 eine Barriereschicht 9 angeordnet. Die Barriereschicht 9 dient dem Zweck, derartige Vermischungen mit dem Ergebnis eines verschlechterten thermischen Verhaltens zu unterbinden.To a mixing of emitter layer with constituents of the material of the carrier 8th due to reflow upon severe heating by electron bombardment in the focal spot, is between emitter layer 10 and carriers 8th a barrier layer 9 arranged. The barrier layer 9 its purpose is to prevent such mixtures with the result of degraded thermal behavior.

Zu diesem Zweck können für die Barriereschicht 9 entweder Materialien gewählt werden, die Vermischungen mit dem Material des Trägers 8 verhindern oder zumindest stark reduzieren. Beispielsweise können dazu Rhenium oder Osmium verwendet werden. Oder es wird ein Material verwendet, bei dem ausschließlich Vermischungen zu erwarten sind, die einen hohen oder gegenüber dem Ausgangsmaterial sogar erhöhten Schmelzpunkt haben. Hierfür käme z. B. Hafnium in Betracht, das auf einem Kohlenstoff-Träger beim Aufschmelzen zur Bildung von Hafnium-Carbid (HfC) beitragen würde, dessen Schmelzpunkt mit mehr als 3.890°C deutlich über dem von Wolfram mit 3.422°C läge. Hafniumcarbid ist die binäre Verbindung mit der höchsten bekannten Schmelztemperatur.For this purpose, for the barrier layer 9 either materials are chosen, the blends with the material of the carrier 8th prevent or at least greatly reduce. For example, rhenium or osmium can be used for this purpose. Or a material is used in which only mixtures are to be expected, which have a high or compared to the starting material even increased melting point. For this z. For example, hafnium, which would contribute to the formation of hafnium carbide (HfC) on a carbon support during melting, whose melting point of more than 3,890 ° C would be significantly higher than that of tungsten at 3,422 ° C. Hafnium carbide is the binary compound with the highest known melting temperature.

Zusätzlich wird das Material der Barriereschicht 9 so gewählt, dass beim Aufschmelzen im Brennfleck auch keine Mischverbindungen mit dem Material der Emitterschicht 10 auftreten, die eine Verschlechterung der thermischen Eigenschaften bewirken würden.Additionally, the material becomes the barrier layer 9 chosen so that when melting in the focal spot and no mixed compounds with the material of the emitter layer 10 occur, which would cause a deterioration of the thermal properties.

Die Schichtdicken des Austrittsfensters 7, der Barriereschicht 9 sowie des Trägers 8 sind so gewählt, dass in der Emitterschicht 8 erzeugte Röntgenstrahlung, die in der Abbildung durch Pfeile angedeutet ist, ohne starke Absorption hindurch treten kann. Die Röntgenstrahlung wird also auf der der Kathode 2 gegenüberliegenden Seiten der Anode 3 emittiert und zwar in Richtung des von der Kathode 2 kommenden Röntgenstrahls, also in Vorwärtsrichtung. Für die Emitterschicht wird vorzugsweise eine Schichtdicke in der Größenordnung von höchstens 10 Mikrometern gewählt, besonders vorteilhafterweise in der Größenordnung von drei bis fünf μm. Für den Träger 8, der gleichzeitig das Austrittsfenster 7 bildet, wird vorzugsweise eine Schichtdicke in der Größenordnung von 100 μm gewählt. Hierbei ist zu beachten, dass zum einen ein möglichst absorptionsfreier Durchtritt von Röntgenstrahlung gewährleistet sein soll, was aufgrund der geringen Ordnungszahl des Materials des Trägers 8 bzw. des Austrittsfensters 7 gegeben ist, und dass andererseits eine ausreichende mechanische Stabilität gewährleistet sein muss, die dem Unterdruck im Vakuumbehälter 4 standhält.The layer thicknesses of the exit window 7 , the barrier layer 9 as well as the carrier 8th are chosen so that in the emitter layer 8th generated X-rays, which is indicated in the figure by arrows, can pass through without strong absorption. The X-ray radiation is thus on the cathode 2 opposite sides of the anode 3 emitted in the direction of that of the cathode 2 coming X-ray beam, ie in the forward direction. For the emitter layer is preferably a layer thickness in the order of at most 10 microns selected, particularly advantageously on the order of three to five microns. For the wearer 8th , the same time the exit window 7 forms, preferably a layer thickness in the order of 100 microns is selected. It should be noted that on the one hand a possible absorption-free passage of X-rays should be ensured, which due to the low atomic number of the material of the carrier 8th or the exit window 7 is given, and that on the other hand, a sufficient mechanical stability must be ensured that the negative pressure in the vacuum vessel 4 withstand.

In 2 ist eine ähnlich konzipierte Röntgenröhre 21 dargestellt, die jedoch im Unterschied zur vorangehend erläuterten eine Drehanode 31 aufweist. Eine Kathode 22 dient der Freisetzung von Elektronen, welche aufgrund des hohen Potentialunterschieds zwischen der Kathode 22 und der Drehanode 31 in Richtung der Drehanode 31 beschleunigt werden, was in der Abbildung durch Pfeile angedeutet ist. Der Elektronenstrahl wird durch mehrere Ablenkspulenpaare 25, 26 auf der Drehanode 31 im Brennfleck fokussiert.In 2 is a similarly designed x-ray tube 21 represented, however, unlike the above-explained a rotary anode 31 having. A cathode 22 is used to release electrons, which due to the high potential difference between the cathode 22 and the rotary anode 31 in the direction of the rotary anode 31 be accelerated, which is indicated in the figure by arrows. The electron beam is passed through several deflection coil pairs 25 . 26 on the rotary anode 31 focused in the focal spot.

Im Brennfleck trifft der Elektronenstrahl zunächst auf die Emitterschicht 30, die aus einem der vorangehend genannten Materialien hoher Ordnungszahl besteht. Die Emitterschicht 30 wird grundsätzlich von dem Träger 28, hier also dem Anodenteller getragen. Der Träger 28 ist aus einem Material geringer Ordnungszahl, wie vorangehend erläutert, ausgeführt. Um Vermischungen aufgrund von Aufschmelzungen im Brennfleck zu vermeiden, liegt zwischen der Emitterschicht 30 und dem Träger 28 eine Barriereschicht 29, deren Materialien und Funktionen wie vorangehend erläutert, gestaltet sind.In the focal spot, the electron beam first strikes the emitter layer 30 , which consists of one of the aforementioned materials of high atomic number. The emitter layer 30 is basically from the carrier 28 , worn here so the anode plate. The carrier 28 is made of a material of low atomic number, as explained above. To avoid mixing due to melting in the focal spot, lies between the emitter layer 30 and the carrier 28 a barrier layer 29 whose materials and functions are as described above, designed.

Die Schichtdicken der Emitterschicht 30, der Barriereschicht 29, sowie des Trägers 28 sind wie ebenfalls vorangehend erläutert so gewählt, dass Röntgenstrahlung weitgehend absorptionsfrei hindurchtreten kann. Die hindurchtretende, also in Vorwärtsrichtung emittierte, Röntgenstrahlung tritt durch das Röntgenstrahlungsaustrittsfenster 27 aus, was durch Pfeile angedeutet ist. Das Röntgenstrahlungsaustrittsfenster 27 besteht ebenso wie der Träger 28 aus einem Material geringer Ordnungszahl, um eine geringe Röntgenstrahlungs-Absorption zu gewährleisten. Gleichzeitig ist die Schichtdicke des Austrittsfensters 27 so gewählt, dass sich eine für den Unterdruck im Vakuumbehälter 24 ausreichende mechanische Stabilität ergibt.The layer thicknesses of the emitter layer 30 , the barrier layer 29 , as well as the carrier 28 are as also explained above chosen so that X-rays can pass largely without absorption. The transmitted, ie emitted in the forward direction, X-radiation passes through the X-ray emission window 27 from what is indicated by arrows. The X-ray exit window 27 exists as well as the carrier 28 made of a material of low atomic number to ensure low X-ray absorption. At the same time the layer thickness of the exit window 27 chosen so that one for the negative pressure in the vacuum tank 24 sufficient mechanical stability results.

Um eine thermische Überlastung in einem gleichbleibenden Brennfleck auf der Anode 31 zu vermeiden, wird während des Betriebs der Röntgenröhre 21 die Drehanode 31 rotiert, so dass der Brennfleck über eine sog. Brennbahn auf der Drehanode 31 wandert.To thermal overload in a consistent focal spot on the anode 31 is avoided during operation of the X-ray tube 21 the rotary anode 31 rotates, so that the focal spot on a so-called focal path on the rotary anode 31 emigrated.

In 3 ist eine andere Ausführungsvariante mit einer seitwärts emittierenden Röntgenröhre 61 dargestellt. Die Röntgenröhre 61 umfasst einen Vakuumkörper 64, der für den ortsfesten Einbau in einen Röntgenapparat vorgesehen ist. Von der Kathode 62 erzeugte Elektronen werden in Richtung einer Drehanode 65 beschleunigt, was durch Pfeile angedeutet ist. Die Drehahnode 65 weist einen abgeschrägten Bereich 66 auf. Die Elektronen werden auf den abgeschrägten Bereich 66 fokussiert, so dass sich auf diesem der Brennfleck ergibt. Durch die Abschrägung ergibt sich für die emittierte Röntgenstrahlung eine seitwärts gerichtete Emission, was durch Pfeile angedeutet ist. Die seitwärts emittierte Röntgenstrahlung tritt durch das seitlich im Vakuumkörper 64 angeordnete Röntgenstrahlungsaustrittsfenster 67 hindurch.In 3 is another embodiment with a sideways emitting X-ray tube 61 shown. The x-ray tube 61 includes a vacuum body 64 , which is intended for fixed installation in an X-ray machine. From the cathode 62 generated electrons are in the direction of a rotary anode 65 accelerated, which is indicated by arrows. The rotary gear 65 has a beveled area 66 on. The electrons become on the bevelled area 66 focused so that results in the focal spot on this. Due to the chamfer results for the emitted X-radiation sideways emission, which is indicated by arrows. The sideward emitted X-radiation passes through the side of the vacuum body 64 arranged X-ray exit window 67 therethrough.

In 4 ist eine weitere Ausführungsvariante mit einer seitwärts emittierenden Drehkolben-Röntgenröhre 51 dargestellt. Die Drehkolben-Röntgenröhre 51 umfasst einen Vakuumkörper 54, der für einen drehbar gelagerten Einbau in einen Röntgenapparat vorgesehen ist. Von der Kathode 52 erzeugte Elektronen werden in Richtung einer Anode 58 beschleunigt. Die Anode 58 ist fest mit dem Vakuumkörper 54 verbunden, so dass bei einer Drehbewegung des Vakuumkörpers 54 auch die Anode 58 mit diesem rotiert. Der Elektronenstrahl wird durch Ablenkspulen 55 abgelenkt, was durch Pfeile dargestellt ist. Der Elektronenstrahl wird so abgelenkt, dass er auf einen abgeschrägten Bereich 59 der Anode 58 fokussiert ist, so dass der Brennfleck auf dem abgeschrägten Bereich 59 liegt. Durch die Abschrägung ergibt sich eine seitwärts gerichtete Emission von Röntgenstrahlung durch das den gesamten Vakuumkörper 54 umlaufende Röntgenstrahlungsaustrittsfenster 57 hindurch.In 4 is another embodiment with a sideways emitting rotary piston X-ray tube 51 shown. The rotary piston x-ray tube 51 includes a vacuum body 54 which is provided for a rotatably mounted installation in an X-ray apparatus. From the cathode 52 generated electrons are in the direction of an anode 58 accelerated. The anode 58 is fixed to the vacuum body 54 connected, so that during a rotational movement of the vacuum body 54 also the anode 58 rotated with this. The electron beam is transmitted through deflection coils 55 distracted, which is represented by arrows. The electron beam is deflected so that it is on a beveled area 59 the anode 58 is focused so that the focal spot on the beveled area 59 lies. Due to the chamfer results a sideways emission of X-rays by the entire vacuum body 54 circumferential X-ray exit windows 57 therethrough.

Im Betrieb wird die Drehkolben-Röntgenröhre 51 während des Elektronenbeschusses der Anode 58 gedreht. Wie vorangehend ausgeführt rotiert die Anode 58 gemeinsam mit der Drehkolben-Röntgenröhre 51. Gleichzeitig wird jedoch der Elektronenstrahl durch die Ablenkspulen 55 so abgelenkt, dass der Brennfleck unabhängig von der Drehbewegung des Drehkolbens ortsfest bleibt. Folglich rotiert die Anode 58 durch den Brennfleck hindurch. Dadurch ergibt sich auf der Oberfläche der Anode 58 anstelle eines punktuellen Brennflecks eine Brennspur, wodurch punktuelle Überhitzung vermieden werden kann. Durch den ortsfesten Brennfleck bzw. Fokus des Elektronenstrahls ergibt sich gleichzeitig eine ortsfeste Emissionsrichtung für die emittierte Röntgenstrahlung durch das umlaufende Röntgenstrahlungsaustrittsfenster 57.In operation, the rotary piston X-ray tube 51 during the electron bombardment of the anode 58 turned. As stated above, the anode rotates 58 together with the rotary piston x-ray tube 51 , At the same time, however, the electron beam is passing through the deflection coils 55 deflected so that the focal spot remains stationary regardless of the rotational movement of the rotary piston. Consequently, the anode rotates 58 through the focal spot. This results in the surface of the anode 58 instead of a punctiform focal spot, a burning trace, which allows selective overheating can be avoided. The fixed focal spot or focus of the electron beam simultaneously results in a stationary emission direction for the emitted X-ray radiation through the rotating X-ray emission window 57 ,

Geeignete Schichtdicken für den Träger 8, 28 können im Bereich von 0,1 mm bis 3 mm liegen. Geeignete Schichtdicken für die Barriereschicht 9, 29 können im Bereich von 10 nm bis 50 nm liegen. Geeigente Schichtdicken für die Emitterschicht 10, 30 können im Bereich von 1 bis 10 Mikrometern liegen, besonders vorteilhaft können Schichtdicken von 3 bis 5 Mikrometern sein. Zum Aufbringen der Schichten, insbesondere der Barriereschicht 9, 29 und der Emitterschicht 10, 30 auf den Träger 8, 28, können übliche Dünnschichtverfahren verwendet werden, z. B. Sputtern, insbesondere Magnetron-PVD (Physical Vapour Deposition), oder CVD (Chemical Vapour Deposition, Gasphasenabscheidung). Insbesondere angesichts der gewünschten hohen Schichtdicken könnten auch effizientere Abscheidungsverfahren wünschenswert sein, beispielsweise Dampfen wäre allerdings wegen der hohen Schmelzpunkte der Materialien problematisch.Suitable layer thicknesses for the carrier 8th . 28 can range from 0.1 mm to 3 mm. Suitable layer thicknesses for the barrier layer 9 . 29 may be in the range of 10 nm to 50 nm. Suitable layer thicknesses for the emitter layer 10 . 30 can be in the range of 1 to 10 micrometers, layer thicknesses of 3 to 5 micrometers can be particularly advantageous. For applying the layers, in particular the barrier layer 9 . 29 and the emitter layer 10 . 30 on the carrier 8th . 28 , conventional thin-film methods can be used, for. As sputtering, in particular magnetron PVD (Physical Vapor Deposition), or CVD (Chemical Vapor Deposition, vapor deposition). In particular, in view of the desired high layer thicknesses, more efficient deposition methods could be desirable, but for example, vaporization would be problematic because of the high melting points of the materials.

In 5 ist ein bildgebendes Röntgengerät 40 zur medizinischen Diagnostik schematisch dargestellt. Ein sog. C-Bogen 41 trägt die Röntgenröhre 42, die mit einer Anode wie vorangehend erläutert ausgestattet ist. Weiter trägt der C-Bogen 41 einen Röntgenbildempfänger 43. Der C-Bogen 41 wird von einem beweglichen Stativ 44 gehalten, das von einer Steuerung 45 in die jeweils gewünschte Position bewegt wird. Eine Hochspannungsversorgung 46 stellt die zum Betrieb der Röntgenröhre 42 erforderliche Hochspannung zur Verfügung. Zur Untersuchung eines Patienten ist eine Patientenliege 47 vorgesehen, auf der ein Patient liegen kann, um einer bildgebenden Untersuchung mit dem C-Bogen Röntgengerät 40 unterzogen zu werden.In 5 is an imaging X-ray machine 40 for medical diagnostics shown schematically. A so-called C-arm 41 carries the x-ray tube 42 equipped with an anode as previously explained. Next carries the C-arm 41 an X-ray image receiver 43 , The C-arm 41 is powered by a movable tripod 44 held by a controller 45 is moved to the desired position. A high voltage supply 46 represents the operation of the X-ray tube 42 required high voltage available. To examine a patient is a patient bed 47 provided on which a patient can lie to an imaging examination with the C-arm X-ray machine 40 to be subjected to.

Ein Grundgedanke der Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen: Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre und eine Anode für eine Röntgenröhre sowie ein Röntgengerät mit einer solchen Röntgenröhre. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anode sowie eine entsprechende Röntgenröhre und ein entsprechendes Röntgengerät anzugeben, bei der eine Degradation des Anodenmaterials und eine damit einhergehende Verschlechterung des Temperaturverhaltens unterbunden ist. Ein Grundgedanke der Erfindung besteht in einer Anode 3, 31, 58, 65 für eine Röntgenröhre 1, 21, 42, 51, 61 mit einem Träger 8, 28 und einer Emitterschicht 10, 30, wobei zwischen Träger 8, 28 und Emitterschicht 10, 30 eine Barriereschicht 9, 29 angeordnet ist. Durch die Barriereschicht 9, 29 können Mischverbindungen zwischen dem Material der Emitterschicht 10, 30 und dem Material des Trägers 8, 28 verhindert werden. Durch geeignete Materialwahl können auch Mischverbindungen zwischen Barriereschicht 9, 29 und dem Material des Trägers 8, 28 bzw. Barriereschicht 9, 29 und Emitterschicht 10, 30 entweder unterbunden werden oder zu Mischverbindungen mit gegenüber den Ausgangsmaterialien gleichhohen oder erhöhten Schmelzpunkten führen. So ist ein dauerhaft stabiles Temperaturverhalten der Anode 3, 31, 58, 65 gewährleistet. Eine derart temperaturstabil konzipierte Anode 3, 31, 58, 65 kann mit ausreichend dünnen Emitterschichten bzw. Trägern 8, 10, 28, 30 aufgebaut sein, um in einer effizienten vorwärts emittierenden Betriebsart betrieben zu werden.A basic idea of the invention can be summarized as follows: The invention relates to an X-ray tube and an anode for an X-ray tube and to an X-ray device having such an X-ray tube. The object of the invention is to provide an anode and a corresponding x-ray tube and a corresponding x-ray device, in which a degradation of the anode material and a concomitant deterioration of the temperature behavior is prevented. A basic idea of the invention consists in an anode 3 . 31 . 58 . 65 for an x-ray tube 1 . 21 . 42 . 51 . 61 with a carrier 8th . 28 and an emitter layer 10 . 30 , where between carriers 8th . 28 and emitter layer 10 . 30 a barrier layer 9 . 29 is arranged. Through the barrier layer 9 . 29 can mixed connections between the material of the emitter layer 10 . 30 and the material of the wearer 8th . 28 be prevented. By suitable choice of material and mixed connections between the barrier layer 9 . 29 and the material of the wearer 8th . 28 or barrier layer 9 . 29 and emitter layer 10 . 30 are either prevented or lead to mixed compounds with respect to the starting materials equal to or higher melting points. This is a permanently stable temperature behavior of the anode 3 . 31 . 58 . 65 guaranteed. Such a thermally stable designed anode 3 . 31 . 58 . 65 can with sufficiently thin emitter layers or carriers 8th . 10 . 28 . 30 designed to operate in an efficient forward emitting mode.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 2653547 [0007]
WO 96/29723 [0008]

Claims

Anode ( 3 . 31 . 58 . 65 ) for an X-ray tube ( 1 . 21 . 42 . 51 . 61 ) comprising a support ( 8th . 28 ) and an emitter layer ( 10 . 30 ), characterized in that between supports ( 8th . 28 ) and emitter layer ( 10 . 30 ) a barrier layer ( 9 . 29 ) is arranged.

Anode ( 3 . 31 . 58 . 65 ) according to claim 1, characterized in that the barrier layer ( 9 . 29 ) consists largely of a material which has no or minimal tendency to form chemical compounds or mixed compounds with the material of the carrier ( 8th . 28 ) or for incorporation of constituents of the material of the carrier ( 8th . 28 ), in particular of rhenium (Rh) or osmium (Os).

Anode ( 3 . 31 . 58 . 65 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the barrier layer ( 9 . 29 ) consists largely of a material that is compatible with constituents of the wearer's material ( 8th . 28 ) predominantly forms high-melting compounds, in particular with melting points above 4,000 K, in particular hafnium (Hf).

Anode ( 3 . 31 . 58 . 65 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the barrier layer ( 9 . 29 ) consists mostly of rhenium (Rh) or osmium (Os).

Anode ( 3 . 31 . 58 . 65 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the barrier layer ( 9 . 29 ) consists mostly of hafnium (Hf).

Anode ( 3 . 31 . 58 . 65 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier ( 8th . 28 ) consists largely of a material with a low atomic number, in particular with atomic numbers less than 14, in particular beryllium (Be, atomic number 4 ) or aluminum (Al, atomic number 13 ).

Anode ( 3 . 31 . 58 . 65 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier ( 8th . 28 ) mostly of carbon (C, atomic number 6 ), in particular of graphite or carbon fiber reinforced graphite.

Anode ( 3 . 31 . 58 . 65 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier ( 8th . 28 ) has a thickness of from 90 microns to 3 millimeters.

Anode ( 3 . 31 . 58 . 65 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the emitter layer ( 10 . 30 ) consists largely of a material with a high atomic number, in particular atomic numbers greater than 28, in particular tungsten (W, atomic number 74 ), Copper (Cu, atomic number 29 ), Molybdenum (Mo, atomic number 42 ) or tantalum (Ta, atomic number 73 ).

Anode ( 3 . 31 . 58 . 65 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the emitter layer ( 10 . 30 ) has a thickness of at most a few micrometers, in particular of at most 10 micrometers.

X-ray tube ( 1 . 21 . 42 . 51 . 61 ) with an anode ( 3 . 31 . 58 . 65 ) according to any one of the preceding claims.

X-ray tube ( 1 . 21 ) according to claim 11 comprising a cathode ( 2 . 22 ) and an X-ray exit window ( 7 . 27 ), wherein the anode ( 3 . 31 ), the cathode ( 2 . 22 ) and the X-ray exit window ( 7 . 27 ) are arranged so that the X-radiation on the cathode ( 2 . 22 ) opposite side of the anode ( 3 . 31 ) is emitted.

Imaging x-ray device ( 40 ) with an x-ray tube ( 1 . 21 . 42 . 51 . 61 ) according to one of the preceding claims 11 or 12.