DE102010041064A1

DE102010041064A1 - Rotating anode for production of X-ray radiation in X-ray tube, has anode plate provided with base body and emission layer and rotatable around rotational axis and in plane of rotation, where plane of rotation exhibits symmetrical geometry

Info

Publication number: DE102010041064A1
Application number: DE201010041064
Authority: DE
Inventors: Marc Hainke; Ernst Neumeier; Wolfgang Schäff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2010-09-20
Publication date: 2012-03-22

Abstract

The anode has a rotationally symmetric anode plate (1) provided with a base body (11) and an emission layer (7) and rotatable around a rotational axis (10) and in a plane of rotation (20), where the plane of rotation exhibits symmetrical geometry. Thickness of the anode plate increases toward the rotational axis. The anode plate includes predeterminable number of relief slots extending toward the rotational axis, where the relief slots run radially. The relief slots are bent around predeterminable angles opposite to the plane of rotation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehanode mit einem rotationssymmetrischen Anodenteller, der einen Grundkörper und eine Emissionsschicht umfasst und der um eine Rotationsachse drehbar ist.The invention relates to a rotary anode with a rotationally symmetrical anode plate, which comprises a base body and an emission layer and which is rotatable about an axis of rotation.

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).X-ray radiation is usually generated in X-ray tubes by bombarding an anode with electrons. The electrons are in turn released from an electron source (cathode with a thermionic emitter or field emitter) and accelerated to the desired primary energy via a high voltage applied between the electron source and the anode. When the electrons hit the material of the anode in the residence area of the focal spot, the interaction of the electrons with the atomic nuclei of the anode material converts the kinetic energy of the electrons into about 1% X-ray and about 99% heat. As the anode material, materials having a high atomic number (atomic number) Z are used, for example, tungsten (W, Z = 74) or an alloy of tungsten (W) and rhenium (Re, Z = 75).

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.Due to the conversion of about 99% of the kinetic energy of the electrons incident on the anode (typically about 70 keV to a maximum of 140 keV) into heat arise in the residence area of the focal spot temperatures of up to about 2,600 ° C. Thermal management is thus an essential task of the anode.

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).The technically planned and structurally realized residence area of the focal spot, ie the location of the anode where the primary beam of the electrons generated in the cathode, can either be stationary (standing / solid anodes) or form a focal path (rotating anodes in rotary anode X-ray tubes or rotary piston x-ray tubes).

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.In a rotary anode, the heat generated in the focal spot is distributed by the rotation of the anode on a focal path. As a result, too rapid melting of the anode material is avoided by thermal overload. In computed tomography, more than 100 kW of power must be absorbed by the rotary anode over an area of a few mm ² . Per patient, the recording cycle can be up to 100 s.

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.Since ever higher power densities are required, this requirement can only be met by increasing the web length and the web speed. This means choosing the largest possible anode plate and rotating the anode at the maximum possible speed. On the other hand, it is important, especially because of scenarios with long exposure times, to maintain a high heat capacity of the anode plate in order to cope with these high heat flows.

Damit ist die Anode in der Regel das Bauteil, welches die maximal mögliche Leistung der Röntgenröhre bzw. des Röntgenstrahlers beschränkt.Thus, the anode is usually the component which limits the maximum possible power of the X-ray tube or the X-ray source.

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.Known rotary anodes each comprise an anode plate, which is held rotationally fixed on a rotor shaft. In a drive of the rotor shaft by an electric drive motor, the anode plate rotates about an axis of rotation, which is formed by the longitudinal axis of the rotor shaft.

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.The anode plate consists of a base body, which is made of a carrier material. On the base body, at least in the region of the focal track, an emission layer is applied, for. B. by forging. The anode plate thus has a composite structure.

Das Trägermaterial des Grundkörpers ist einerseits aufgrund der geforderten Hochtemperaturfestigkeit notwendig, um den Fliehkräften bei Anodenbetriebstemperatur Rechnung zu tragen.On the one hand, the carrier material of the main body is necessary because of the required high-temperature strength in order to take account of the centrifugal forces at the anode operating temperature.

Andererseits ist das Trägermaterial für die Wärmeableitung und für die Wärmespeicherung notwendig.On the other hand, the substrate is necessary for heat dissipation and for heat storage.

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.The support material of the base body is usually a molybdenum-based alloy, for. B. TZM. TZM has the following chemical composition: 0.5% by weight of titanium (Ti), 0.08% by weight of zirconium (Zr) 0.02% by weight of carbon (C), balance molybdenum (Mo). The formation of a Mo-Ti mixed crystal and finely divided Ti-Zr carbides ensure good strength properties up to temperatures of approx. 1400 ° C.

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.The emission layer consists of the actual anode material, a material with a high atomic number, for example tungsten or a tungsten-rhenium alloy. The aforementioned material group has proven to be optimal for X-ray generation in terms of efficiency and high melting temperature.

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.Furthermore, rotary anodes are known in which the anode plate consists of a metal-graphite composite. Here, a graphite disc is applied as a heat storage, for example by soldering on the back of the body. Here, the back of the anode plate is the side facing away from the emitter with built-in X-ray tube anode plate. Such an anode plate has an improved heat capacity and good Wärmeabstrahleigenschaften and has a low weight, thereby contributing X-ray tubes usually another performance increase is achievable.

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).Due to the mechanical and thermal stress of the anode, due to the high centrifugal forces and the forming temperature differences, however, very large thermo-mechanical stresses occur, which can lead to damage or destruction of the anode plate or limit the operating limit of the anode. Among other things, the type of thermo-mechanical stress depends on the connection of the anode plate to the bearing system, in particular on the attachment to the rotor shaft. This can be high tangential loads on the inside of the anode plate, with a fixed connection of the anode plate by z. As a soldering and high radial thermo-mechanical stresses. To avoid cracks due to the high thermo-mechanical stresses during operation, it is known to introduce slots in the radial direction in the anode plate (relaxed rotary anodes).

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.Due to the occurring thermo-mechanical stresses, the material and the size of the anode plate, the permissible rotational speed and the thermal load are limited. So z. B. at high rotational frequencies and large anode plate diameters graphite are no longer used as heat conducting. Nevertheless, it is important to ensure the best possible heat dissipation (heat conduction and heat capacity) in order to keep the cooling times of the anode plate as short as possible between the individual recording cycles. If graphite can not be used, the mass of the anode plate should be as large as possible. An increase in the mass of the anode plate, however, has the serious disadvantage that the bearing load increases sharply.

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.The previously known anode plate designs are not able to fully meet all requirements. This is due to the fact that the load limits are predetermined on the one hand by the focal point temperature, on the other hand by the thermomechanical stresses occurring at high heat flows.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drehanode mit verbesserten thermomechanischen Eigenschaften zu schaffen.The object of the present invention is to provide a rotary anode with improved thermomechanical properties.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Drehanode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Drehanode sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.The object is achieved by a rotary anode according to claim 1. Advantageous embodiments of the rotary anode according to the invention are the subject of further claims.

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.The rotary anode according to claim 1 has a rotationally symmetrical anode plate, which comprises a base body and an emission layer and which is rotatable about an axis of rotation and in a plane of rotation. According to the invention, the anode plate has a geometry that is substantially symmetrical to the plane of rotation.

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.According to the invention, an anode plate design which is substantially symmetrical to the plane of rotation is used. The term "substantially symmetrical geometry" in the rotary anode according to the invention comprises symmetrical, strictly symmetrical and preferably symmetrical as well as quasi-symmetrical geometries of the anode plate.

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.The inventive measure a thermo-mechanical optimization of the anode plate is achieved, so that the use limit, despite the high rotational speeds and the large thermal mass primarily depends on the focal point temperature and are not limited by the mechanical stresses occurring in operation in the main body of the anode plate.

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.At a given thermal capacity, the mass of the anode plate of the rotary anode according to the invention can be reduced in comparison to the known anode plates, which have an asymmetric design to the rotation plane. This has a positive effect on the bearing load. Conversely, with an identical mass of the anode plate, the thermal capacity of an anode plate of the rotary anode according to the invention is significantly higher than that of an anode plate according to the prior art. As a rule, no additional changes are required for the mounting of the rotary anode for increased thermal load capacity.

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.A preferred embodiment of the rotary anode is characterized in that the thickness of the anode plate increases towards the axis of rotation. A large part of the additional mass of the anode plate required for increased heat capacity is thus advantageously arranged close to the axis of rotation. In addition to improved dynamic properties due to reduced centrifugal forces, the heat can be dissipated more quickly via the drive shaft in the case of such an anode plate. This shortens the cooling times between the individual recording cycles for such an anode plate.

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.According to the invention, the anode plate has a geometry that is essentially symmetrical to the plane of rotation and thus-with respect to the plane of rotation-a corresponding symmetrical mass distribution. The invention according to both the axis of rotation and the plane of rotation symmetrical anode design, according to an advantageous embodiment, for example by an at least partially concave surface on the top of the anode plate and be realized by an at least partially concave surface on the underside of the anode plate. Alternatively, the anode plate may have at least partially a planar surface on its upper side and on its underside. As a further alternative, the anode plate may have at least partially a convex surface on its upper side and on its underside. Combinations of concave, plano, and convex surfaces are also possible as long as the symmetry to the axis of rotation and the symmetry to the plane of rotation are maintained.

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.In a particularly advantageous embodiment of the rotary anode according to the invention, the anode plate has a predeterminable number of relief slots, which extend in the direction of the axis of rotation. If this measure is applied to the anode according to the invention, then again improved thermomechanical properties result.

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.Depending on the material and the geometry of the anode plate, a variety of variants is possible for the arrangement of the relief slots. For example, the relief slots can extend radially or they can have a course that deviates from a radial extent by a predeterminable angle. Furthermore, it is possible that the relief slots are inclined by a predetermined angle relative to the plane of rotation. This angle can z. B. 90 °, the relief slots then extend at right angles to the plane of rotation. By the relief slots advantageously occurring in operation high thermo-mechanical stresses in the anode plate are greatly reduced.

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.A further reduced thermo-mechanical loading of the anode plate is achieved according to an advantageous embodiment in that a predeterminable number of relief slots each have a discharge hole. These relief holes are arranged in a particularly advantageous embodiment at the end of the discharge slots.

Nachfolgend werden sechs schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:Hereinafter, six schematically illustrated embodiments of the invention will be described with reference to the drawing, but without being limited thereto. Show it:

1 einen Anodenteller einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode, 1 an anode plate of a first embodiment of the rotary anode according to the invention,

2 einen Anodenteller einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode, 2 an anode plate of a second embodiment of the rotary anode according to the invention,

3 einen Anodenteller einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode, 3 an anode plate of a third embodiment of the rotary anode according to the invention,

4 einen Anodenteller einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode, 4 an anode plate of a fourth embodiment of the rotary anode according to the invention,

5 einen Anodenteller einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode, 5 an anode plate of a fifth embodiment of the rotary anode according to the invention,

6 einen Anodenteller einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehanode, 6 an anode plate of a sixth embodiment of the rotary anode according to the invention,

7 einen zeitlichen Verlauf von thermomechanischen Spannungen für ein Belastungsszenario bei einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drehanode. 7 a temporal course of thermo-mechanical stresses for a load scenario in an embodiment of a rotary anode according to the invention.

In 1 ist ein Anodenteller 1 einer ersten Ausführungsform einer Drehanode in Teilansicht (eine Hälfte des Anodentellers im Längsschnitt) dargestellt.In 1 is an anode plate 1 a first embodiment of a rotary anode in partial view (one half of the anode plate in longitudinal section) shown.

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.The anode plate 1 includes a main body 11 of molybdenum (Mo, Z = 42) and an emission layer and is about an axis of rotation 10 and in a rotation plane 20 rotatable.

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.The anode plate 1 is disposed in a vacuum housing of an X-ray tube, not shown, and generates upon striking of electrons from an electron source in the emission layer, the region of a focal path 7 (Residence area of the focal spot) forms, X-ray radiation, which emerges through an X-ray exit window from the vacuum housing. In the anode plate according to 1 is the area of the focal track 7 made of tungsten (W, Z = 74) or a tungsten alloy.

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.The in 1 shown anode plate 1 has a concave top 12 on which the focal track 7 runs, and one parallel to the axis of rotation 10 running front side 13 as well as a concave underside 14 , The anode plate 1 thus has a geometry strictly symmetrical to the plane of rotation.

In 2 ist ein Anodenteller 2 einer zweiten Ausführungsform einer Drehanode in Teilansicht (eine Hälfte des Anodentellers im Längsschnitt) dargestellt.In 2 is an anode plate 2 A second embodiment of a rotary anode in partial view (one half of the anode plate in longitudinal section) shown.

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.The anode plate 2 again comprises a basic body 21 and an emission layer which is the region of a focal path 7 forms, and is about an axis of rotation 10 and in a rotation plane 20 rotatable.

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.The in 2 shown anode plate 2 has a flat top 22 on which a focal track 7 runs, and one parallel to the axis of rotation 10 running front side 23 as well as a flat underside 24 , The anode plate 2 thus also has a geometry strictly symmetrical to the plane of rotation. Otherwise, the anode plate differs 2 not of that in 1 illustrated anode plate 1 ,

In 3 ist ein Anodenteller 3 einer dritten Ausführungsform einer Drehanode in Teilansicht (eine Hälfte des Anodentellers im Längsschnitt) dargestellt.In 3 is an anode plate 3 a third embodiment of a rotary anode in partial view (one half of the anode plate in longitudinal section) shown.

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.The anode plate 3 again comprises a basic body 31 and an emission layer which is the region of a focal path 7 forms, and is about an axis of rotation 10 and in a rotation plane 20 rotatable.

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.The in 3 shown anode plate 3 has a convex top 32 on which a focal track 7 runs, and one parallel to the axis of rotation 10 running front side 33 as well as a convex underside 34 , The anode plate 3 thus also has a geometry strictly symmetrical to the plane of rotation. Otherwise, the anode plate differs 3 not from the in 1 and 2 shown anode plates 1 and 2 ,

In 4 ist ein Anodenteller 4 einer vierten Ausführungsform einer Drehanode in Teilansicht (eine Hälfte des Anodentellers im Längsschnitt) dargestellt.In 4 is an anode plate 4 A fourth embodiment of a rotary anode in partial view (one half of the anode plate in longitudinal section) shown.

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.The anode plate 4 again comprises a basic body 41 and an emission layer which is the region of a focal path 7 forms, and is about an axis of rotation 10 and in a rotation plane 20 rotatable.

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.The in 4 shown anode plate 4 has a concave top 42 , which in the area of the focal track a chamfer 42a has, on the the focal path 7 runs. This results in an anode angle of α ≈ 5 ° -20 °. The anode plate 4 also has a parallel to the axis of rotation 10 running front side 43 as well as a concave underside 44 , The shape of the bottom 44 changes in the direction of the front side 43 from concave to plan and then into a bevel 44a to pass over the bevel 42a is opposite. The anode plate 4 thus has a quasi-symmetrical geometry to the plane of rotation.

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.In the in the 1 to 4 illustrated embodiments takes - regardless of the different surface characteristics of the anode plate - the thickness of the anode plate 1 . 2 . 3 and 4 to the axis of rotation 10 towards. The geometries of the anode plates 1 . 2 . 3 and 4 are not limited to the illustrated embodiments. Rather, combinations of the illustrated geometries are possible, for example, surfaces with concave and / or convex and / or planar areas.

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.The in the 1 to 4 illustrated embodiments are all characterized in that the anode plate 1 respectively. 2 respectively. 3 respectively. 4 one to the axis of rotation 10 symmetric geometry and one to the plane of rotation 20 having substantially symmetrical geometry.

In 5 ist ein Anodenteller 5 einer fünften Ausführungsform einer Drehanode in Draufsicht gezeigt, wobei die Brennbahn 7 nicht dargestellt ist.In 5 is an anode plate 5 A fifth embodiment of a rotary anode shown in plan view, wherein the focal track 7 not shown.

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.The anode plate 5 has eight relief slots 8th on, extending radially in the direction of the axis of rotation 10 extend. All relief slots 8th point to the axis of rotation 10 facing ends in each case a discharge hole 9 on.

In 6 ist ein Anodenteller 6 einer sechsten Ausführungsform einer Drehanode in Draufsicht gezeigt, wobei die Brennbahn 7 nicht dargestellt ist.In 6 is an anode plate 6 A sixth embodiment of a rotary anode shown in plan view, wherein the focal track 7 not shown.

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.The anode plate 6 also has eight relief slots 8th on, extending in the direction of the axis of rotation 10 extend and in this case have a course which by a predetermined angle β of the in 5 shown radial extent deviates (β ≈ 5 ° -20 °). All relief slots 8th point to the axis of rotation 10 facing ends in turn each have a discharge hole 9 on.

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.In the in the 5 and 6 shown anode plates 5 and 6 have the relief slots 8th that the focal path 7 break, each having a width of about 0.3 mm. The relief wells 9 each have a diameter between 2 mm and 8 mm and are designed as through holes.

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. 7 shows the time course of the thermo-mechanical stresses for a thermal loading scenario of an anode plate. Since only a comparison between a hitherto conventional anode plate and an embodiment of an anode plate according to the invention is shown, the thermo-mechanical stress σ * and the time t * are given as dimensionless quantities.

Der obere Teil des Diagramms zeigt den Verlauf der Fließspannung σ_f im Bereich der Rotationsachse 10, also in dem Bereich, in dem die Dicke des Anodentellers am größten ist.The upper part of the diagram shows the course of the yield stress σ _f in the area of the axis of rotation 10 that is, in the area where the thickness of the anode plate is greatest.

Der untere Teil des Diagramms zeigt den Verlauf der Fließspannung σ_f im Bereich der Entlastungsbohrungen 9.The lower part of the diagram shows the course of the yield stress σ _f in the area of the relief wells 9 ,

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 σ_f des Materials des Anodentellers deutlich überschritten. Mit dem optimierten Anodendesign ist dies sogar bei einer geringeren Masse nicht mehr der Fall.A comparison of the characteristics 30 and 40 for the thermomechanical loading of a known anode plate with the characteristics 50 and 60 for the thermomechanical loading of an anode plate according to one embodiment of the invention, the following results: With a conventional anode design, the yield stress σ _{f of} the material of the anode plate is significantly exceeded. With the optimized anode design, this is no longer the case even with a lower mass.

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.The comparison of the underlying embodiment of the anode plate according to the invention is an anode plate, the one to the plane of rotation 20 having substantially symmetrical geometry and the relief slots 8th and relief wells 9 has.

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.As from the diagram in 7 can be seen, the measures described above cause a thermo-mechanical optimization of the anode plate, so that the use limit despite the high rotational speeds (up to 200 Hz) and the large thermal mass depend primarily on the track temperature and are not limited by the thermo-mechanical stresses in the body.

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.Thus, for example, the tangential thermo-mechanical stresses on the inside of the anode plate can be significantly reduced by the optimized anode plate geometry and the simultaneous slotting of the anode plate, since on the one hand sets a more uniform temperature profile, on the other hand, the voltages on the anode plate inside are distributed to a larger volume. At the same time, the high pressure loads in the area of the focal track sink. Thus, the total thermo-mechanical loads can be reduced during operation, which extends on the one hand, the life of the anode plate and thus the rotary anode, on the other hand, the possible application limits can be moved to higher powers and higher anode speeds.

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.Furthermore, there is the advantage that, starting from an identical thermal behavior, by an optimized anode geometry, it is possible to reduce the anode mass compared with conventional anode forms. As a result, the load of the anode bearing is reduced accordingly and increases the life of the rotary anode accordingly.

Claims

Rotary anode with a rotationally symmetrical anode plate ( 1 - 6 ), which has a basic body ( 11 - 61 ) and an emission layer ( 7 ) and that about a rotation axis ( 10 ) and in a rotation plane ( 20 ), characterized in that the anode plate ( 1 - 6 ) one to the plane of rotation ( 20 ) has substantially symmetrical geometry.

Rotary anode according to claim 1, characterized in that the anode plate ( 1 . 2 . 3 . 5 . 6 ) one to the plane of rotation ( 20 ) has strictly symmetrical geometry.

Rotary anode according to claim 1, characterized in that the anode plate ( 4 ) one to the plane of rotation ( 20 ) has quasi-symmetric geometry.

Rotary anode according to claim 1, characterized in that the thickness of the anode plate ( 1 - 6 ) to the rotation axis ( 10 ) increases.

Rotary anode according to one of claims 1 to 4, characterized in that the anode plate ( 5 . 6 ) a predefinable number of relief slots ( 8th ), which in the direction of the axis of rotation ( 10 ).

Rotary anode according to claim 5, characterized in that the relief slots ( 8th ) extend radially.

Rotary anode according to claim 5, characterized in that the relief slots ( 8th ) have a course which deviates by a predeterminable angle (β) from a radial extent.

Rotary anode according to claim 5, characterized in that the relief slots ( 8th ) by a predeterminable angle with respect to the plane of rotation ( 20 ) are inclined.

Rotary anode according to claim 5 or 8, characterized in that the relief slots ( 8th ) at right angles to the plane of rotation ( 20 ).

Rotary anode according to claim 5, characterized in that a predeterminable number of relief slots ( 8th ) one relief hole ( 9 ) having.

Rotary anode according to claim 10, characterized in that the relief bores ( 9 ) at the end of the discharge slots ( 8th ) are arranged.

Rotary anode according to claim 1, characterized in that the anode plate ( 1 ) on its top ( 12 ) and on its underside ( 14 ) each having at least partially a concave surface.

Rotary anode according to claim 1, characterized in that the anode plate ( 2 ) on its top ( 22 ) and on its underside ( 24 ) each having at least partially a planar surface.

Rotary anode according to claim 1, characterized in that the anode plate ( 3 ) on its top ( 32 ) and on its underside ( 34 ) each having at least partially a convex surface.