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Die Erfindung betrifft eine Drehanode mit einem rotationssymmetrischen Anodenteller, der einen Grundkörper und eine Emissionsschicht umfasst und der um eine Rotationsachse drehbar ist.
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Die Erzeugung von Röntgenstrahlung erfolgt in Röntgenröhren üblicherweise durch Beschuss einer Anode mit Elektronen. Die Elektronen werden ihrerseits aus einer Elektronenquelle (Kathode mit einem thermoionischen Emitter oder einem Feldemitter) freigesetzt und über eine Hochspannung, die zwischen der Elektronenquelle und der Anode anliegt, auf die gewünschte Primärenergie beschleunigt. Beim Auftreffen der Elektronen auf das Material der Anode im Aufenthaltsbereich des Brennflecks wird durch die Wechselwirkung der Elektronen mit den Atomkernen des Anodenmaterials die kinetische Energie der Elektronen zu etwa 1% in Röntgenstrahlung und zu ca. 99% in Wärme umgesetzt. Als Anodenmaterial werden Materialien mit einer hohen Kernladungszahl (Ordnungszahl) Z verwendet, beispielsweise Wolfram (W, Z = 74) oder eine Legierung aus Wolfram (W) und Rhenium (Re, Z = 75).
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Aufgrund der Umwandlung von etwa 99% der kinetischen Energie der auf die Anode auftreffenden Elektronen (typisch ca. 70 keV bis maximal 140 keV) in Wärme entstehen im Aufenthaltsbereich des Brennflecks Temperaturen von bis zu ca. 2.600°C. Damit ist das Wärmemanagement eine wesentliche Aufgabe der Anode.
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Der technisch geplante und konstruktiv realisierte Aufenthaltsbereich des Brennflecks, also die Stelle der Anode, an dem der Primärstrahl der in der Kathode erzeugten Elektronen auftrifft, kann entweder stationär sein (Steh-/Festanoden) oder eine Brennbahn bilden (rotierende Anoden bei Drehanoden-Röntgenröhren oder Drehkolben-Röntgenröhren).
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Bei einer Drehanode wird die im Brennfleck erzeugte Wärme durch die Rotation der Anode auf einer Brennbahn verteilt. Dadurch wird ein zu schnelles Aufschmelzen des Anodenmaterials durch thermische Überlastung vermieden. Bei der Computertomografie müssen von der Drehanode mehr als 100 kW Leistung auf einer Fläche von wenigen mm2 aufgenommen werden. Pro Patient kann der Aufnahmezyklus bis zu 100 s betragen.
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Da zunehmend noch höhere Leistungsdichten gefordert werden, kann man dieser Anforderung nur begegnen indem man die Bahnlänge und die Bahngeschwindigkeit erhöht. Dies bedeutet die Wahl eines möglichst großen Anodentellers und das Drehen der Anode mit maximal möglicher Geschwindigkeit. Anderseits ist besonders aufgrund von Szenarien mit langen Belastungszeiten wichtig, eine hohe Wärmekapazität des Anodentellers vorzuhalten, um diesen hohen Wärmeströmen gerecht zu werden.
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Damit ist die Anode in der Regel das Bauteil, welches die maximal mögliche Leistung der Röntgenröhre bzw. des Röntgenstrahlers beschränkt.
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Bekannte Drehanoden umfassen jeweils einen Anodenteller, der auf einer Rotorwelle verdrehfest gehalten ist. Bei einem Antrieb der Rotorwelle durch einen elektrischen Antriebsmotor dreht sich der Anodenteller um eine Rotationsachse, die von der Längsachse der Rotorwelle gebildet wird.
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Der Anodenteller besteht aus einem Grundkörper, der aus einem Trägermaterial gefertigt ist. Auf dem Grundkörper ist zumindest im Bereich der Brennbahn eine Emissionsschicht aufgebracht, z. B. durch Schmieden. Der Anodenteller weist damit eine Verbundstruktur auf.
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Das Trägermaterial des Grundkörpers ist einerseits aufgrund der geforderten Hochtemperaturfestigkeit notwendig, um den Fliehkräften bei Anodenbetriebstemperatur Rechnung zu tragen.
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Andererseits ist das Trägermaterial für die Wärmeableitung und für die Wärmespeicherung notwendig.
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Bei dem Trägermaterial des Grundkörpers handelt es sich üblicherweise um eine Molybdän-Basislegierung, z. B. TZM. TZM weist die folgende chemische Zusammensetzung auf: 0,5 Gew.-% Titan (Ti), 0,08 Gew.-% Zirkonium (Zr) 0,02 Gew.-% Kohlenstoff (C), Rest Molybdän (Mo). Die Bildung eines Mo-Ti-Mischkristalls und fein verteilte Ti-Zr-Karbide gewährleisten gute Festigkeitseigenschaften bis zu Temperaturen von ca. 1400°C.
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Die Emissionsschicht besteht aus dem eigentlichen Anodenmaterial, einem Material mit hoher Ordnungszahl, beispielsweise Wolfram oder einer Wolfram-Rhenium-Legierung. Die vorgenannte Materialgruppe hat sich hinsichtlich des Wirkungsgrades und der hohen Schmelztemperatur als optimal zur Röntgenstrahlerzeugung erwiesen.
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Weiterhin sind Drehanoden bekannt, bei denen der Anodenteller jeweils aus einem Metall-Grafit-Verbund besteht. Hierbei wird auf der Rückseite des Grundkörpers eine Grafitscheibe als Wärmespeicher aufgebracht, beispielsweise durch Löten. Hierbei ist die Rückseite des Anodentellers die Seite, die bei in der Röntgenröhre eingebautem Anodenteller vom Emitter abgewandt ist. Ein derartiger Anodenteller besitzt eine verbesserte Wärmekapazität sowie gute Wärmeabstrahleigenschaften und weist ein geringes Gewicht auf, so dass dadurch bei Röntgenröhren in der Regel eine weitere Leistungssteigerung erzielbar ist.
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Durch die mechanische und thermische Belastung der Anode, aufgrund der hohen Fliehkräfte und der sich ausbildenden Temperaturdifferenzen, treten jedoch sehr große thermomechanische Spannungen auf, die zu einer Beschädigung oder einer Zerstörung des Anodentellers führen können bzw. die Einsatzgrenze der Anode limitieren. Die Art der thermomechanischen Spannung hängt unter anderem auch von der Anbindung des Anodentellers an das Lagersystem, insbesondere von der Befestigung an der Rotorwelle, ab. Dies können hohe tangentiale Belastungen an der Innenseite des Anodentellers sein, bei einer festen Anbindung des Anodentellers durch z. B. eine Lötung auch hohe radiale thermomechanische Spannungen. Zur Vermeidung von Rissen durch die hohen thermomechanischen Spannungen im Betrieb, ist es bekannt, bei im Anodenteller Schlitze in radialer Richtung einzubringen (entspannte Drehanoden).
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Durch die auftretenden thermomechanischen Spannungen werden das Material und die Größe des Anodentellers, die zulässige Rotationsgeschwindigkeit sowie die thermische Belastung limitiert. So kann z. B. bei hohen Rotationsfrequenzen und großen Anodentellerdurchmessern Grafit als Wärmeleitkörper nicht mehr eingesetzt werden. Dennoch ist es wichtig eine möglichst gute Wärmeabfuhr (Wärmeleitung und Wärmekapazität) zu gewährleisten, um die Abkühlzeiten des Anodentellers zwischen den einzelnen Aufnahmezyklen möglichst kurz zu halten. Wenn kein Grafit verwendet werden kann, ist die Masse des Anodentellers möglichst groß zu wählen. Eine Erhöhung der Masse des Anodentellers hat jedoch den gravierenden Nachteil, dass die Lagerbelastung stark ansteigt.
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Die bisher bekannten Anodenteller-Designs sind nicht in der Lage, alle Anforderungen vollständig zu erfüllen. Dies liegt daran, dass die Belastungsgrenzen einerseits durch die Brennbahntemperatur, andererseits durch die bei großen Wärmeströmen auftretenden thermomechanischen Spannungen vorgegeben sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drehanode mit verbesserten thermomechanischen Eigenschaften zu schaffen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Drehanode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Drehanode sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die Drehanode gemäß Anspruch 1 weist einen rotationssymmetrischen Anodenteller auf, der einen Grundkörper und eine Emissionsschicht umfasst und der um eine Rotationsachse und in einer Rotationsebene drehbar ist. Erfindungsgemäß weist der Anodenteller eine zur Rotationsebene im Wesentlichen symmetrische Geometrie auf.
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Erfindungsgemäß wird ein zur Rotationsebene im Wesentlichen symmetrisches Anodentellerdesign verwendet. Der Begriff ”im Wesentlichen symmetrische Geometrie” umfasst bei der erfindungsgemäßen Drehanode symmetrische, strengsymmetrische und möglichst symmetrische sowie quasi-symmetrische Geometrien des Anodentellers.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird eine thermomechanische Optimierung des Anodentellers erzielt, so dass die Einsatzgrenze trotz der hohen Drehgeschwindigkeiten und der großen thermischen Masse primär von der Brennbahntemperatur abhängt und nicht durch die im Betrieb auftretenden mechanischen Spannungen im Grundkörper des Anodentellers limitiert werden.
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Bei einer vorgegebenen thermischen Belastbarkeit kann die Masse des Anodentellers der erfindungsgemäßen Drehanode im Vergleich zu den bekannten Anodentellern, die ein zur Rotationsebene asymmetrisches Design aufweisen, reduziert werden. Dies wirkt sich hinsichtlich der Lagerbelastung positiv aus. Umgekehrt ist bei identischer Masse der Anodenteller die thermische Belastbarkeit eines Anodentellers der erfindungsgemäßen Drehanode deutlich höher als die bei einem Anodenteller gemäß dem Stand der Technik. Für eine erhöhte thermische Belastbarkeit sind damit in der Regel keine zusätzlichen Änderungen für die Lagerung der Drehanode zu ergreifen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Drehanode ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Anodentellers zur Rotationsachse hin zunimmt. Ein Großteil der für eine erhöhte Wärmekapazität notwendigen zusätzlichen Masse des Anodentellers ist damit in vorteilhafter Weise nahe der Rotationsachse angeordnet. Neben verbesserten dynamischen Eigenschaften aufgrund reduzierter Fliehkräfte ist bei einem derartig ausgeführten Anodenteller auch die Wärme über die Antriebswelle schneller abführbar. Damit verkürzen sich für einen derartigen Anodenteller die Abkühlzeiten zwischen den einzelnen Aufnahmezyklen.
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Erfindungsgemäß weist der Anodenteller eine zur Rotationsebene im Wesentlichen symmetrische Geometrie und damit – bezogen auf die Rotationsebene – eine entsprechende symmetrische Masseverteilung auf. Das erfindungsgemäß sowohl zur Rotationsachse und als auch zur Rotationsebene symmetrische Anodendesign kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform beispielsweise durch eine zumindest teilweise konkave Oberfläche auf der Oberseite des Anodentellers und durch eine zumindest teilweise konkave Oberfläche auf der Unterseite des Anodentellers realisiert sein. Alternativ kann der Anodenteller auf seiner Oberseite und auf seiner Unterseite jeweils zumindest teilweise eine plane Oberfläche aufweisen. Als weitere Alternative kann der Anodenteller auf seiner Oberseite und auf seiner Unterseite jeweils zumindest teilweise eine konvexe Oberfläche aufweisen. Auch Kombinationen von konkaven, planen und konvexen Oberflächen sind möglich, solange die Symmetrie zur Rotationsachse und die Symmetrie zur Rotationsebene beibehalten werden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode weist der Anodenteller eine vorgebbare Anzahl von Entlastungsschlitzen auf, die sich in Richtung der Rotationsachse erstrecken. Wird diese Maßnahme bei der erfindungsgemäßen Anode angewandt, dann ergeben sich nochmals verbesserte thermomechanische Eigenschaften.
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Abhängig vom Material und der Geometrie des Anodentellers ist für die Anordnung der Entlastungsschlitze eine Vielzahl von Varianten möglich. So können die Entlastungsschlitze beispielsweise radial verlaufen oder sie können einen Verlauf aufweisen, der um einen vorgebbaren Winkel von einer radialen Erstreckung abweicht. Weiterhin ist es möglich, dass die Entlastungsschlitze um einen vorgebbaren Winkel gegenüber der Rotationsebene geneigt sind. Dieser Winkel kann z. B. 90° betragen, die Entlastungsschlitze verlaufen dann rechtwinklig zur Rotationsebene. Durch die Entlastungsschlitze werden in vorteilhafter Weise die im Betrieb auftretenden hohen thermomechanischen Spannungen im Anodenteller stark reduziert.
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Eine nochmals verringerte thermomechanische Belastung des Anodentellers wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erzielt, dass eine vorgebbare Anzahl von Entlastungsschlitzen jeweils eine Entlastungsbohrung aufweist. Diese Entlastungsbohrungen sind in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform am Ende der Entlastungsschlitze angeordnet.
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Nachfolgend werden sechs schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 einen Anodenteller einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode,
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2 einen Anodenteller einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode,
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3 einen Anodenteller einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode,
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4 einen Anodenteller einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode,
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5 einen Anodenteller einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode,
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6 einen Anodenteller einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode,
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7 einen zeitlichen Verlauf von thermomechanischen Spannungen für ein Belastungsszenario bei einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drehanode.
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In 1 ist ein Anodenteller 1 einer ersten Ausführungsform einer Drehanode in Teilansicht (eine Hälfte des Anodentellers im Längsschnitt) dargestellt.
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Der Anodenteller 1 umfasst einen Grundkörper 11 aus Molybdän (Mo, Z = 42) sowie eine Emissionsschicht und ist um eine Rotationsachse 10 und in einer Rotationsebene 20 drehbar.
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Der Anodenteller 1 ist in einem Vakuumgehäuse einer nicht dargestellten Röntgenröhre angeordnet und erzeugt beim Auftreffen von Elektronen aus einer Elektronenquelle in der Emissionsschicht, die den Bereich einer Brennbahn 7 (Aufenthaltsbereich des Brennflecks) bildet, Röntgennutzstrahlung, welche durch ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster aus dem Vakuumgehäuse austritt. Bei dem Anodenteller gemäß 1 ist der Bereich der Brennbahn 7 aus Wolfram (W, Z = 74) oder einer Wolframlegierung gefertigt.
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Der in 1 gezeigte Anodenteller 1 besitzt eine konkave Oberseite 12, auf der die Brennbahn 7 verläuft, und eine parallel zur Rotationsachse 10 verlaufende Stirnseite 13 sowie eine konkave Unterseite 14. Der Anodenteller 1 weist damit eine zur Rotationsebene streng symmetrische Geometrie auf.
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In 2 ist ein Anodenteller 2 einer zweiten Ausführungsform einer Drehanode in Teilansicht (eine Hälfte des Anodentellers im Längsschnitt) dargestellt.
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Der Anodenteller 2 umfasst wiederum einen Grundkörper 21 sowie eine Emissionsschicht, die den Bereich einer Brennbahn 7 bildet, und ist um eine Rotationsachse 10 und in einer Rotationsebene 20 drehbar.
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Der in 2 gezeigte Anodenteller 2 besitzt eine plane Oberseite 22, auf der eine Brennbahn 7 verläuft, und eine parallel zur Rotationsachse 10 verlaufende Stirnseite 23 sowie eine plane Unterseite 24. Der Anodenteller 2 weist damit ebenfalls eine zur Rotationsebene streng symmetrische Geometrie auf. Ansonsten unterscheidet sich der Anodenteller 2 nicht von dem in 1 dargestellten Anodenteller 1.
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In 3 ist ein Anodenteller 3 einer dritten Ausführungsform einer Drehanode in Teilansicht (eine Hälfte des Anodentellers im Längsschnitt) dargestellt.
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Der Anodenteller 3 umfasst wiederum einen Grundkörper 31 sowie eine Emissionsschicht, die den Bereich einer Brennbahn 7 bildet, und ist um eine Rotationsachse 10 und in einer Rotationsebene 20 drehbar.
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Der in 3 gezeigte Anodenteller 3 besitzt eine konvexe Oberseite 32, auf der eine Brennbahn 7 verläuft, und eine parallel zur Rotationsachse 10 verlaufende Stirnseite 33 sowie eine konvexe Unterseite 34. Der Anodenteller 3 weist damit ebenfalls eine zur Rotationsebene streng symmetrische Geometrie auf. Ansonsten unterscheidet sich der Anodenteller 3 nicht von den in 1 und 2 dargestellten Anodentellern 1 und 2.
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In 4 ist ein Anodenteller 4 einer vierten Ausführungsform einer Drehanode in Teilansicht (eine Hälfte des Anodentellers im Längsschnitt) dargestellt.
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Der Anodenteller 4 umfasst wiederum einen Grundkörper 41 sowie eine Emissionsschicht, die den Bereich einer Brennbahn 7 bildet, und ist um eine Rotationsachse 10 und in einer Rotationsebene 20 drehbar.
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Der in 4 gezeigte Anodenteller 4 besitzt eine konkave Oberseite 42, die im Bereich der Brennbahn eine Abschrägung 42a aufweist, auf der die Brennbahn 7 verläuft. Damit ergibt sich ein Anodenwinkel von α ≈ 5°–20°. Der Anodenteller 4 besitzt weiterhin eine parallel zur Rotationsachse 10 verlaufende Stirnseite 43 sowie eine konkave Unterseite 44. Die Form der Unterseite 44 ändert sich in Richtung der Stirnseite 43 von konkav in plan um dann in eine Abschrägung 44a überzugehen, die der Abschrägung 42a gegenüber liegt. Der Anodenteller 4 weist damit eine zur Rotationsebene quasi-symmetrische Geometrie auf.
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Bei den in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen nimmt – unabhängig von den unterschiedlichen Oberflächenausprägungen der Anodenteller – die Dicke der Anodenteller 1, 2, 3 und 4 zur Rotationsachse 10 hin zu. Die Geometrien der Anodenteller 1, 2, 3 und 4 sind nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind auch Kombinationen der dargestellten Geometrien möglich, beispielsweise Oberflächen mit konkaven und/oder konvexen und/oder planen Bereichen.
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Die in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele sind alle dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenteller 1 bzw. 2 bzw. 3 bzw. 4 eine zur Rotationsachse 10 symmetrische Geometrie und eine zur Rotationsebene 20 im Wesentlichen symmetrische Geometrie aufweist.
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In 5 ist ein Anodenteller 5 einer fünften Ausführungsform einer Drehanode in Draufsicht gezeigt, wobei die Brennbahn 7 nicht dargestellt ist.
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Der Anodenteller 5 weist acht Entlastungsschlitze 8 auf, die sich radial verlaufend in Richtung der Rotationsachse 10 erstrecken. Alle Entlastungsschlitze 8 weisen an den der Rotationsachse 10 zugewandten Enden jeweils eine Entlastungsbohrung 9 auf.
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In 6 ist ein Anodenteller 6 einer sechsten Ausführungsform einer Drehanode in Draufsicht gezeigt, wobei die Brennbahn 7 nicht dargestellt ist.
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Der Anodenteller 6 weist ebenfalls acht Entlastungsschlitze 8 auf, die sich in Richtung der Rotationsachse 10 erstrecken und hierbei einen Verlauf aufweisen, der um einen vorgebbaren Winkel β von der in 5 dargestellten radialen Erstreckung abweicht (β ≈ 5°–20°). Alle Entlastungsschlitze 8 weisen an den der Rotationsachse 10 zugewandten Enden wiederum jeweils eine Entlastungsbohrung 9 auf.
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Bei den in den 5 und 6 gezeigten Anodentellern 5 und 6 weisen die Entlastungsschlitze 8, die die Brennbahn 7 unterbrechen, jeweils eine Breite von etwa 0,3 mm auf. Die Entlastungsbohrungen 9 besitzen jeweils einen Durchmesser zwischen 2 mm und 8 mm und sind als Durchgangsbohrungen ausgeführt.
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7 zeigt den zeitlichen Verlauf der thermomechanischen Spannungen für ein thermisches Belastungsszenario eines Anodentellers. Da nur ein Vergleich zwischen einem bisher üblichen Anodenteller und einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Anodentellers dargestellt ist, sind die thermomechanische Spannung σ* und die Zeit t* als dimensionslose Größen angegeben.
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Der obere Teil des Diagramms zeigt den Verlauf der Fließspannung σf im Bereich der Rotationsachse 10, also in dem Bereich, in dem die Dicke des Anodentellers am größten ist.
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Der untere Teil des Diagramms zeigt den Verlauf der Fließspannung σf im Bereich der Entlastungsbohrungen 9.
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Ein Vergleich der Kennlinien 30 und 40 für die thermomechanische Belastung eines bekannten Anodentellers mit den Kennlinien 50 und 60 für die thermomechanische Belastung eines Anodentellers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ergibt sich Folgendes: Mit einem üblichen Anodendesign wird die Fließspannung σf des Materials des Anodentellers deutlich überschritten. Mit dem optimierten Anodendesign ist dies sogar bei einer geringeren Masse nicht mehr der Fall.
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Bei der dem Vergleich zugrundeliegenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Anodentellers handelt es sich um einen Anodenteller, der eine zur Rotationsebene 20 im Wesentlichen symmetrische Geometrie aufweist und der Entlastungsschlitze 8 sowie Entlastungsbohrungen 9 besitzt.
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Wie aus dem Diagramm in 7 ersichtlich ist, bewirken die vorstehend beschriebenen Maßnahmen eine thermomechanische Optimierung des Anodentellers, so dass die Einsatzgrenze trotz der hohen Drehgeschwindigkeiten (bis zu 200 Hz) und der großen thermischen Masse vornehmlich von der Brennbahntemperatur abhängen und nicht durch die thermomechanischen Spannungen im Grundkörper limitiert werden.
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So können beispielsweise die tangentialen thermomechanischen Spannungen an der Innenseite des Anodentellers durch die optimierte Anodentellergeometrie und die gleichzeitige Schlitzung des Anodentellers deutlich reduziert werden, da sich einerseits eine gleichmäßigeres Temperaturprofil einstellt, anderseits, die Spannungen an der Anodentellerinnenseite auf ein größeres Volumen verteilt werden. Gleichzeitig sinken die hohen Druckbelastungen im Bereich der Brennbahn. Damit können insgesamt die thermomechanischen Belastungen während des Betriebs gesenkt werden, wodurch sich einerseits die Lebensdauer des Anodetellers und damit der Drehanode verlängert, anderseits die möglichen Einsatzgrenzen zu höheren Leistungen und zu höheren Anodendrehzahlen verschoben werden können.
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Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass man ausgehend von einem identischen thermischen Verhalten, durch eine optimierte Anodengeometrie die Anodenmasse gegenüber herkömmlichen Anodenformen reduzieren kann. Dadurch wird die Belastung des Anodenlagers entsprechend verringert und die Lebensdauer der Drehanode entsprechend erhöht.
