DE102009034360B4

DE102009034360B4 - Elektronenabsorberschicht

Info

Publication number: DE102009034360B4
Application number: DE200910034360
Authority: DE
Inventors: Dr. Freudenberger Jörg; Dr. Stier Oliver
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2029-07-18
Also published as: US8389051B2; US20110014484A1; DE102009034360A1

Abstract

Verfahren zum Auftragen einer Elektronenabsorberschicht (30) auf einem Träger (10), dadurch gekennzeichnet, dass – eine Elektronenabsorberschicht aus einem Kompositmaterial hergestellt wird, – indem der Träger mit einem metallischen Material (40) beschichtet wird und während des Beschichtens in dem metallischen Material Materialeinschlüsse (60) aus einem Zusatzmaterial (70) eingebettet werden, wobei das Zusatzmaterial im Mittel nach Gewichtsprozent Ordnungszahlen von kleiner als 14 aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Auftragen einer Elektronenabsorberschicht auf einem Träger.
Ein derartiges Verfahren ist aus der US-Offenlegungsschrift US 2008/0112538 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Elektronenabsorberschicht aus einem Carbid, Nitrid oder Oxid oder alternativ aus einem Metall gebildet. Als Metalle werden in der Schrift Molybdän, Rhenium, Zirkonium, Beryllium, Nickel, Titan, Niob oder Kupfer genannt.
Aus der Patentschrift DE 690 16 433 T2 ist ein Beschichtungsverfahren bekannt, bei dem auf einem Träger ein Pulver aus einem Material aufgetragen wird, das aus der Gruppe bestehend aus Metallen, Legierungen, deren mechanischen Mischungen oder isolierenden Materialien gewählt ist.
Gemäß der US 2003/0219542 A1 ist es bekannt, dass Pulvergemische, bestehend aus keramischen Partikeln und metallischen Partikeln, mittels des Kaltgasspritzens verarbeitet werden können. Hierbei können beispielsweise Korrosionsschutzschichten für KFZ-Bauteile hergestellt werden bzw. es können korrosionsbeständige Bauteilverbindungen hergestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich eine thermisch belastbare und gute Absorbereigenschaften aufweisende Elektronenabsorberschicht besonders einfach herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es das Kompositmaterial ermöglicht, sowohl die Elektronenabsorptionseigenschaften der Elektronenabsorberschicht als auch gleichzeitig die thermischen Eigenschaften der Elektronenabsorberschicht separat voneinander zu optimieren. So lässt sich beispielsweise das metallische Material der Elektronenabsorberschicht derart wählen, dass diese hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten optimal an den Träger angepasst ist. Wird als Material für den Träger beispielsweise Kupfer oder Stahl verwendet, so lässt sich der thermische Ausdehnungskoeffizient der Elektronenabsorberschicht an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers beispielsweise anpassen, indem für die Elektronenabsorberschicht ein metallisches Material gewählt wird, dessen thermische Ausdehnungseigenschaften denen des Trägermaterials bestmöglich entsprechen. Mit den in dem metallischen Material des Kompositmaterials eingebetteten Materialeinschlüssen bzw. Fremdeinschlüssen lassen sich die Absorbereigenschaften der Elektronenabsorberschicht separat optimieren. Beispielsweise werden Materialeinschlüsse bzw. Einlagerungen in dem metallischen Material eingebettet, die eine möglichst kleine Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente aufweisen. Eine kleine Ordnungszahl führt nämlich dazu, dass die Elektronenabsorberschicht Elektronen besonders effizient absorbieren kann. Zusammengefasst ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren durch den Einsatz eines Kompositmaterials, die Eigenschaften der herzustellenden Elektronenabsorberschicht optimal an den Träger anzupassen und unabhängig davon beste Absorptionseigenschaften zu erreichen.
Um eine hohe Elektronenabsorption zu gewährleisten, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn ein Zusatzmaterial gewählt bzw. eingebettet wird, das im Mittel, zum Beispiel nach Gewichtsprozent, eine möglichst kleine Ordnungszahl aufweist, vorzugsweise eine Ordnungszahl kleiner als 14.
Eine im Mittel kleine Ordnungszahl lässt sich erreichen, wenn Zusatzmaterial eingebettet wird, das eine oder mehrere der folgenden Substanzen aufweist oder zu zumindest 50% aus diesen besteht: Bor oder Kohlenstoff oder ein Gemisch mit zumindest zwei der Elemente Bor, Kohlenstoff und Silizium oder eine oder mehrere chemische Verbindungen aus oder mit zumindest zwei der drei genannten Elemente oder ein Gemisch solcher chemischer Verbindungen.
Besonders bevorzugt wird Zusatzmaterial eingebettet, das elementares Bor, elementaren Kohlenstoff, insbesondere Graphit, oder ein Gemisch aus den Elementen Bor, Kohlenstoff und Silizium – vorzugsweise zu zumindest 50% – enthält.
Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Zusatzmaterial eingebettet werden, das Borcarbid, Siliziumcarbid oder ein Gemisch daraus – vorzugsweise zu zumindest 50% – enthält.
Mit Blick auf eine möglichst große Elektronenabsorption bzw. mit Blick auf eine im Mittel möglichst kleine Ordnungszahl der Elektronenabsorberschicht insgesamt wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Anteil der Materialeinschlüsse in dem Kompositmaterial der Elektronenabsorberschicht mindestens 50% beträgt.
Die Elektronenabsorberschicht wird vorzugsweise durch Kaltgasspritzen auf dem Träger aufgebracht. Kaltgasspritzen erlaubt es, sehr stabile Verbundwerkstoffe bzw. Kompositwerkstoffe mit sehr großer Schichtdicke von etlichen 100 μm kostengünstig und sogar im Bereich von Endkonturen abzuscheiden. Bei einem Kaltgasspritzen stört weder die extreme Reaktionsfähigkeit von beispielsweise Bor, Graphit oder Borcarbid, noch muss bei dem metallischen Material auf Löslichkeitsgrenzen Rücksicht genommen werden. Obwohl Kaltgasspritzen als besonders bevorzugt angesehen wird, können alternativ auch andere Beschichtungsverfahren eingesetzt werden, wie beispielsweise Abscheidungsverfahren aus der Gasphase (z. B. CVD-Verfahren), Sputterverfahren oder andere Verfahren.
Als metallisches Material wird vorzugsweise ein Material gewählt, das den Einbau der Materialeinschlüsse in besonders hohen Konzentrationen erlaubt. Vorzugsweise wird als metallisches Material Aluminium, Magnesium, eine Mischung aus Aluminium und Magnesium oder eine Aluminium-Magnesium-Legierung auf dem Träger aufgebracht, und die Materialeinschlüsse werden in ein solches metallisches Material eingebettet.
Alternativ kann als metallisches Material Kobalt, Eisen, Chrom, eine Legierung aus zwei oder allen drei der genannten Metalle oder eine Mischung aus zwei oder allen drei der genannten Metalle verwendet werden.
Auch kommen Titan, Nickel, Kupfer, eine Legierung aus zwei oder allen drei der genannten Metalle oder eine Mischung aus zwei oder allen drei der genannten Metalle für das metallische Material in Betracht.
Selbstverständlich können die genannten Metalle Aluminium, Magnesium, Kobalt, Eisen, Chrom, Titan, Nickel, Kupfer auch in anderen als den genannten Kombinationen miteinander gemischt oder legiert werden, um das metallische Material für das Kompositmaterial der Elektronenabsorberschicht zu bilden.
Besonders bevorzugt wird das metallische Material derart auf dem Träger aufgebracht, dass es eine leitfähige metallische Matrix auf dem Träger bildet.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Elektronenabsorberschicht. Erfindungsgemäß ist bezüglich einer solchen Elektronenabsorberschicht vorgesehen, dass diese aus einem Kompositmaterial besteht, bei dem Materialeinschlüsse aus einem Zusatzmaterial in ein metallisches Material eingebettet sind.
Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Elektronenabsorberschicht sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Auftragen einer Elektronenabsorberschicht verwiesen, da die Vorteile der Elektronenabsorberschicht denen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen entsprechen.
Vorzugsweise enthält das metallische Material Aluminium, Magnesium, Kobalt, Eisen, Chrom, Titan, Nickel, Kupfer, eine Legierung aus zumindest zwei der genannten Metalle oder eine Mischung aus zumindest zwei der genannten Metalle.
Als bevorzugt wird beispielsweise eine Ausführungsvariante angesehen, bei der der Anteil der Materialeinschlüsse in dem Kompositmaterial der Elektronenabsorberschicht mindestens 50% beträgt, das metallische Material Aluminium, Magnesium, Kobalt, Eisen, Chrom, eine Legierung aus zumindest zwei der genannten Metalle oder eine Mischung aus zumindest zwei der genannten Metalle enthält und das Zusatzmaterial elementares Bor, elementaren Kohlenstoff, insbesondere Graphit, oder ein Gemisch aus den Elementen Bor, Kohlenstoff und Silizium – vorzugsweise zu zumindest 50% – enthält.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
1 ein Ausführungsbeispiel für einen Träger ohne Elektronenabsorberschicht und
2 den Träger gemäß 1 nach einem Aufbringen einer Elektronenabsorberschicht.
In der 1 sieht man einen Träger 10, der aus einem Trägermaterial 20 besteht. Bei dem Trägermaterial 20 kann es sich beispielsweise um Kupfer oder Stahl oder ein anderes Material handeln.
Die 2 zeigt den Träger 10, nachdem – vorzugsweise mittels Kaltgasspritzen – eine Elektronenabsorberschicht 30 aufgebracht worden ist. Beim Kaltgasspritzen wird ein metallisches Material 40 auf die Oberfläche 50 des Trägers 10 aufgespritzt, wobei während des Aufspritzens des metallischen Materials 40 Materialeinschlüsse 60 aus einem Zusatzmaterial 70 mitverspritzt und in dem metallischen Material 40 eingebettet werden.
Der Anteil der Materialeinschlüsse 60 wird möglichst groß gewählt und beträgt vorzugsweise zumindest 50%.
Das beschriebene Verfahren zum Aufbringen der Elektronenabsorberschicht 30 auf dem Träger 10 lässt sich beispielsweise einsetzen, um Rückstreuelektronenfänger, Schutzbeschichtungen von thermisch stark belasteten Bereichen und bremsstrahlungsintensitätsminimierende Schichten bei Röntgenröhrenaustrittsfenstern herzustellen.
Vorzugsweise wird für den Träger 10 ein Trägermaterial 20 gewählt, das selbst keine besonderen Elektronenabsorptionseigenschaften aufweist und beispielsweise hinsichtlich anderer Eigenschaften optimiert ist. Beispielsweise wird das Trägermaterial 20 im Hinblick auf eine maximale mechanische Festigkeit oder eine optimale Verarbeitbarkeit, beispielsweise Schweißbarkeit, hin ausgewählt.
Diejenigen Flächenabschnitte der Oberfläche 50 des Trägers 10, die einer Elektronenstrahlung ausgesetzt sind, werden mit der Elektronenabsorberschicht 30 beschichtet. Um bei der Elektronenabsorberschicht 30 eine größtmögliche Elektronenabsorption zu erreichen, bestehen die Materialeinschlüsse 60 vorzugsweise aus einem Zusatzmaterial 70 mit möglichst kleiner durchschnittlicher Ordnungszahl.
Die Materialeinschlüsse 60 können beispielsweise durch spröde Einlagerungen gebildet werden, die nicht notwendigerweise gut leitend sind, aber wie bereits erwähnt eine möglichst geringe Ordnungszahl aufweisen sollten. Der Anteil der spröden Phase bzw. der spröden Einlagerungen wird vorzugsweise möglichst groß gewählt. Begrenzt wird der maximal mögliche Anteil an Einlagerungen u. a. durch den Abscheidungsprozess beim Aufbringen der Elektronenabsorberschicht 30 auf dem Träger 10; wie bereits erwähnt lässt sich durch Kaltgasspritzen ein besonders großer Einlagerungsanteil erreichen.
Auch wird der erreichbare Anteil an Einlagerungen durch andere Kriterien begrenzt, beispielsweise durch die zu erreichende Temperaturwechselbeständigkeit der Elektronenabsorberschicht, die zu erreichende Vakuumfestigkeit und/oder die zu erreichende elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit der Elektronenabsorberschicht.
Das metallische Material 40, das die Materialeinschlüsse 60 quasi als Kleber zusammenhält, besteht vorzugsweise aus einer duktilen Phase aus Aluminium, Magnesium, Titan, Chrom, Kobalt, Nickel, Kupfer oder Legierungen oder Mischungen der genannten Metalle.
Die Metalleinschlüsse 60, also die spröde Phase innerhalb der Elektronenabsorberschicht 30, bestehen vorzugsweise aus Bor, Borcarbid, Siliziumcarbid oder Graphit.
Wie bereits ausgeführt, wird die Elektronenabsorberschicht 30 vorzugsweise mittels Kaltgasspritzen aufgebracht. Kaltgasspritzen erlaubt es nämlich in sehr vorteilhafter Weise, sehr stabile Verbundwerkstoffe bzw. Kompositwerkstoffe mit sehr großer Schichtdicke von etlichen 100 μm kostengünstig und sogar im Bereich von Endkonturen abzuscheiden. Bei einem Kaltgasspritzen stört weder die extreme Reaktionsfähigkeit von beispielsweise Bor, Graphit oder Borcarbid, noch muss bei der duktilen Matrix, die das metallische Material 40 vorzugsweise bildet, auf Löslichkeitsgrenzen Rücksicht genommen werden. Durch ein Mischen bzw. ein Herstellen von Legierungen der genannten Metalle lässt sich erreichen, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der duktilen Phase bzw. des metallischen Materials 40 und damit der thermische Ausdehnungskoeffizient der resultierenden Elektronenabsorberschicht 30 optimal an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägermaterials 20 angepasst wird. Wird als Trägermaterial 20 beispielsweise Kupfer oder Stahl verwendet, so wird bei der Auswahl der Metalle für das metallische Material 40 vorzugsweise ein Metallgemisch oder eine Metalllegierung verwendet, deren bzw. dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient mit dem des Trägermaterials bestmöglich übereinstimmt.
Um zu erreichen, dass die Elektronenabsorberschicht 30 eine möglichst hohe Elektronenabsorption gewährleistet, werden zur Reduktion der durchschnittlichen Ordnungszahl der resultierenden Elektronenabsorberschicht 30 die Materialeinschlüsse 60, also beispielsweise (B-, C-, SiC-)Dispersanten mit einem hohen prozentualen Anteil in die Elektronenabsorberschicht 30 eingebaut. Die Funktion des metallischen Materials 40 reduziert sich dann anschaulich beschrieben lediglich auf eine Klebeeigenschaft, um die Materialeinschlüsse 60 auf dem Träger 10 dauerhaft zu befestigen, auch wenn sich durch Schwankungen der Temperatur des Trägers und damit durch Ausdehnung oder Schrumpfen der Oberfläche 50 Spannungen an der Schichtgrenze zwischen der Elektronenabsorberschicht 30 und dem Trägermaterial 20 bilden.

Claims

Verfahren zum Auftragen einer Elektronenabsorberschicht (30) auf einem Träger (10), dadurch gekennzeichnet, dass – eine Elektronenabsorberschicht aus einem Kompositmaterial hergestellt wird, – indem der Träger mit einem metallischen Material (40) beschichtet wird und während des Beschichtens in dem metallischen Material Materialeinschlüsse (60) aus einem Zusatzmaterial (70) eingebettet werden, wobei das Zusatzmaterial im Mittel nach Gewichtsprozent Ordnungszahlen von kleiner als 14 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzmaterial eingebettet wird, das eine oder mehrere der folgenden Substanzen aufweist oder zu zumindest 50% aus diesen besteht: – Bor oder Kohlenstoff oder – ein Gemisch mit zumindest zwei der Elemente Bor, Kohlenstoff und Silizium oder – eine oder mehrere chemische Verbindungen aus oder mit zumindest zwei der Elemente Bor, Kohlenstoff und Silizium oder – ein Gemisch solcher chemischer Verbindungen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzmaterial eingebettet wird, das elementares Bor, elementaren Kohlenstoff, insbesondere Graphit oder ein Gemisch aus den Elementen Bor, Kohlenstoff und Silizium – vorzugsweise zu zumindest 50% – enthält.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzmaterial eingebettet wird, das Borcarbid, Siliziumcarbid oder ein Gemisch daraus – vorzugsweise zu zumindest 50% – enthält.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Materialeinschlüsse in dem Kompositmaterial der Elektronenabsorberschicht mindestens 50% beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenabsorberschicht durch Kaltgasspritzen auf dem Träger aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Material Aluminium, Magnesium, eine Mischung aus Aluminium und Magnesium oder eine Aluminium-Magnesium-Legierung auf dem Träger aufgebracht wird und die Materialeinschlüsse in ein solches metallisches Material eingebettet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Material Kobalt, Eisen, Chrom, eine Legierung aus zwei oder allen drei der genannten Metalle oder eine Mischung aus zwei oder allen drei der genannten Metalle auf dem Träger aufgebracht wird und die Materialeinschlüsse in ein solches metallisches Material eingebettet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Material Titan, Nickel, Kupfer, eine Legierung aus zwei oder allen drei der genannten Metalle oder eine Mischung aus zwei oder allen drei der genannten Metalle auf dem Träger aufgebracht wird und die Materialeinschlüsse in ein solches metallisches Material eingebracht werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das metallische Material als leitfähige metallische Matrix auf dem Träger aufgebracht wird und – die Materialeinschlüsse in der leitfähigen metallischen Matrix eingebettet werden.
Elektronenabsorberschicht (30), dadurch gekennzeichnet, dass – die Elektronenabsorberschicht aus einem Kompositmaterial besteht, bei dem Materialeinschlüsse (60) aus einem Zusatzmaterial (70) in ein metallisches Material (40) eingebettet sind, wobei das Zusatzmaterial im Mittel nach Gewichtsprozent Ordnungszahlen von kleiner als 14 aufweist
Elektronenabsorberschicht nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial eine oder mehrere der folgenden Substanzen, vorzugsweise zu zumindest 50%, enthält: – Bor oder Kohlenstoff oder – ein Gemisch der Elemente Bor, Kohlenstoff und Silizium oder – eine oder mehrere chemische Verbindungen aus oder mit zumindest zwei der Elemente Bor, Kohlenstoff und Silizium oder – ein Gemisch solcher chemischer Verbindungen.
Elektronenabsorberschicht nach einem der voranstehenden Ansprüche 11–12, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material Aluminium, Magnesium, Kobalt, Eisen, Chrom, Titan, Nickel, Kupfer, eine Legierung aus zumindest zwei der genannten Metalle oder eine Mischung aus zumindest zwei der genannten Metalle enthält.
Elektronenabsorberschicht nach einem der voranstehenden Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass – der Anteil der Materialeinschlüsse in dem Kompositmaterial der Elektronenabsorberschicht mindestens 50% beträgt, – das metallische Material Aluminium, Magnesium, Kobalt, Eisen, Chrom, eine Legierung aus zumindest zwei der genannten Metalle oder eine Mischung aus zumindest zwei der genannten Metalle enthält und – das Zusatzmaterial elementares Bor, elementaren Kohlenstoff, insbesondere Graphit oder ein Gemisch aus den Elementen Bor, Kohlenstoff und Silizium – vorzugsweise zu zumindest 50% – enthält.