DE102011083064B4 - Drehanode und Verfahren zum Herstellen eines Grundkörpers für eine Drehanode - Google Patents

Drehanode und Verfahren zum Herstellen eines Grundkörpers für eine Drehanode Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehanode für eine Röntgenröhre, mit einem keramischen Grundkörper, welcher eine Brennbahn zur Abgabe von Röntgenstrahlung bei Elektronenbestrahlung trägt, wobei der Grundkörper aus einer Mischung von Siliziumcarbid sowie wenigstens einem hochtemperaturbeständigen Diborid besteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Drehanode für eine Röntgenröhre nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Grundkörpers für eine solche Drehanode nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 4.
  • Röntgenröhren, wie sie beispielsweise in medizinischen Röntgengeräten Anwendung finden, umfassen eine Kathode, von der aus Elektronen auf eine rotierende Drehanode hin beschleunigt werden. Die Drehanode umfasst einen Grundkörper, der eine so genannte Brennbahn aus Wolfram oder einer Wolfram-Rhenium-Legierung trägt, welche die eigentliche Anode bildet. Beim Auftreffen hinreichend beschleunigter Elektronen auf die Brennbahn werden die Atome der Brennbahn entsprechend angeregt und imitieren in der Folge Röntgenstrahlung an der gewünschten Wellenlänge. Durch die Rotation der Drehanode soll dabei die thermische Belastung möglichst gering gehalten werden. Da gerade für die Röntgentomographie zunehmend höhere Strahlungsintensitäten erwünscht sind, soll dabei der Brennfleck der Elektronen auf der Brennbahn möglichst scharf fokussiert und klein sein, was wiederum zu hohen Leistungsdichten im Brennfleckbereich und damit zu einer besonders hohen Temperaturentwicklung führt. Um dies zu kompensieren sind wiederum besonders hohe Drehzahlen der Drehanode erwünscht.
  • Bekannte Drehanoden weisen einen Grundkörper aus einer Titan-Zirkon-Molybdän-Legierung auf, die eine relativ hohe Dichte bei relativ geringer Hochtemperaturfestigkeit aufweist. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften derartiger Grundkörper können bei gängigen Drehanoden lediglich Drehfrequenzen von 200 Hz bis 250 Hz realisiert werden.
  • Neben derartigen Titan-Zirkon-Molybdän-Grundkörpern sind auch Grundkörper aus keramischen Materialien bekannt. So beschreibt beispielsweise die US 2010 002 7754 einen Grundkörper in Form eines Anodenrings für eine Drehanode, der aus Graphit oder Siliciumcarbid gefertigt ist. Der Anodenring weist ferner radial orientierte rechtwinklige Kammern auf, in die kleine Segmente aus pyrolytischem Kohlenstoff eingesetzt werden können, um die entstehende Wärme möglichst schnell abzuleiten und zu speichern. Auch Kombinationen aus Molybdän-Titan-Zirkon-Legierungen und Siliciumcarbid sind bekannt. Auch mit derartigen Materialien können jedoch die bei modernen Röntgengeräten notwendigen hohen Drehfrequenzen nicht realisiert werden.
  • Aus der US 5 031 201 A ist ferner eine Drehanode bekannt, deren Grundkörper aus einer Siliziumcarbidmatrix mit eingelagerten Fasern aus einem weiteren Werkstoff, beispielsweise Kohlenstoff, besteht.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Drehanode nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 anzugeben, welche besonders temperaturbeständig ist und Drehfrequenzen im Bereich von 300 Hz bis 400 Hz erlaubt. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Grundkörpers für eine derartige Drehanode anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Drehanode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst.
  • Eine derartige Drehanode für eine Röntgenröhre umfasst einen keramischen Grundkörper, welcher eine Brennbahn zur Abgabe von Röntgenstrahlung bei Elektronenbestrahlung trägt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Grundkörper aus einer Mischung von Siliciumcarbid sowie wenigstens einem hochtemperaturbeständigen Diborid besteht. Besonders zweckmäßig ist dabei die Verwendung von Titandiborid, Tantaldiborid, Zirkondiborid und Hafniumdiborid. Die genannten Diboride gehören zur Materialklasse der Ultrahochtemperaturmaterialien und besitzen Schmelzpunkte von mehr als 3000°C. Ein derartiger Grundkörper kann daher im Betrieb der Drehanode besonders hohen thermischen Belastungen widerstehen. Gleichzeitig weisen derartige gemischte Siliciumcarbid-Diborid-Keramiken eine sehr hohe Wärmekapazität auf, so dass der Grundkörper im Betrieb der Drehanode große Energiemengen aufnehmen kann. Zudem bleibt bei dieser Materialklasse auch im Hochtemperaturbereich eine hohe Wärmeleitfähigkeit bestehen, so dass sich die Wärme im Betrieb besonders gut verteilen kann und es nicht zu Verzügen kommt.
  • Gleichzeitig besitzen derartige Mischkeramiken thermische Ausdehnungskoeffizienten, die im Bereich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Wolfram liegen, so dass es nicht zur Ausbildung von Spannungen zwischen dem Grundkörper und der Brennbahn kommt.
  • Ein weiterer Vorteil liegt in der Temperaturabhängigkeit der Festigkeit von diborid-basierten Keramiken. Ein Temperaturbereich zwischen 1000°C und 1500°C, der für den Betrieb derartiger Drehanoden besonders relevant ist, steigt die Festigkeit dieser Keramiken mit der Temperatur sogar an. Bei üblichen diborid-basierten Keramiken können in diesem Temperaturbereich Festigkeitswerte zwischen 450 MPa und 550 MPa erreicht werden. Im Gegensatz dazu weisen Molybdän-Titan-Zirkon-Legierungen nach dem Stand der Technik in diesem Temperaturbereich eine sinkende Festigkeit auf, so dass es bei hohen Drehzahlen zum mechanischen Versagen von Grundkörpern aus derartigen bekannten Materialien kommen kann. Dies wird bei der erfindungsgemäßen diborid-basierten Keramik vermieden, so dass besonders hohe Drehzahlen und damit besonders hohe Energiedichten im Brennfleck der Elektronenstrahlung auf der Brennbahn erzielt werden können.
  • Zweckmäßigerweise beträgt der Anteil des wenigstens einen Diborids 1 bis 50 Volumenprozent des Gesamtvolumens des Grundkörpers, wobei der Diboridanteil je nach gewünschtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zur Anpassung an das Material der Brennbahn variiert werden kann.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Grundkörpers für eine Drehanode einer Röntgenröhre, bei welchem ein hochtemperaturbeständiges Keramikpulver in eine Negativform gepresst und anschließend gesintert wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass ein Keramikpulver aus einer Mischung von Siliciumcarbid sowie wenigstens einem hochtemperaturbeständigen Diborid verwendet wird. Wie bereits anhand der erfindungsgemäßen Drehanode erläutert, bietet sich hierbei insbesondere die Verwendung von Titandiborid, Tantaldiborid, Zirkondiborid oder Hafniumdiborid an. Die Diboride können dabei einzeln oder auch in Mischung eingesetzt werden. Zweckmäßig ist dabei ein Volumenanteil von 1 bis 50 Volumenprozent. Die Vorteile von derartigen, diborid-basierten Mischkeramiken wurden bereits im Rahmen der Besprechung der erfindungsgemäßen Drehanode erläutert und sollen daher an dieser Stelle nicht wiederholt werden.
  • Zum Sintern von derartigen Keramiken eignet sich insbesondere das drucklose Sintern bei 2000°C bis 2300°C, das Spark-Plasma-Sintern bei 2000°C bis 2300°C oder das heißisostatische Pressen bei 1700 C bis 2300°C. Mit allen genannten Methoden können auf reproduzierbare und prozesssichere Weise besonders stabile keramische Grundkörper geschaffen werden.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Um Drehanoden für Röntgenröhren mit besonders hoher thermischer Beständigkeit und gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit herzustellen, die in der Lage sind, Drehfrequenzen bis zu 400 Hz stand zu halten, sind Mischkeramiken aus Siliciumcarbid und hochtemperaturbeständigen Diboriden besonders geeignet. Zur Erläuterung der Erfindung sollen folgende Ausführungsbeispiele gemeinsam besprochen werden:
    • 1. Siliciumcarbid mit 1 bis 50 Volumenprozent Titandiborid
    • 2. Siliciumcarbid mit 1 bis 50 Volumenprozent Hafniumdiborid
    • 3. Siliciumcarbid mit 1 bis 50 Volumenprozent Zirkondiborid
    • 4. Siliciumcarbid mit 1 bis 50 Volumenprozent Tantaldiborid
    • 5. Siliciumcarbid mit einer Mischung aus Titandiborid, Hafniumdiborid und Zirkondiborid mit einem Volumenanteil von insgesamt 1–50 Vol.%
  • Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Diboride in der Mischkeramik sind dabei größer als derjenige von Siliciumcarbid, der bei 1000°C 4,5·10–6 K–1 beträgt.
  • Durch die Zugabe der Diboride zu Siliciumcarbid besteht somit die Möglichkeit, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Mischkeramik anzuheben und den entsprechenden Bedingungen anzupassen.
  • Ferner besitzen die genannten Diboride eine hohe Wärmekapazität CP (1500°C) von mehr als 0,85 J/(gK), was im Betrieb der Drehanode vorteilhaft ist, da dann große Energiemengen pro Röntgenzyklus aufgenommen werden müssen.
  • Ein Kennzeichen für die Materialklasse ist zudem jede hohe Wärmeleitfähigkeit auch im Hochtemperaturbereich. Während viele Materialen mit zunehmender Temperatur eine deutliche Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit zeigen, besitzen die Diboride ein nahezu konstantes Wärmeleitfähigkeitsverhalten in einem Temperaturbereich zwischen 500°C und 2000°C, in welchem ihre thermische Leitfähigkeit λ mehr als 75 W/mK beträgt. Bei Titandiborid kann sogar eine deutliche Zunahme der Wärmeleitfähigkeit beobachtet werden. Dies wirkt sich positiv auf die Wärmeabfuhr der Drehanode im Röntgenbetrieb aus.
  • Bei der Wahl des Mischungsverhältnisses zwischen Siliciumcarbid und den jeweiligen Diboriden ist es zunächst wünschenswert, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Grundkörpers der Drehanode an den Ausdehnungskoeffizienten der Brennbahn anzupassen, die in der Regel aus Wolfram mit 5% oder 10% zulegiertem Rhenium besteht. Hierzu ist es wünschenswert, einen Ausdehnungskoeffizienten von 5,2 bis 6·10–6 K–1 zu erreichen. Durch die Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird vermieden, dass sich während der Aufheizphase zwischen dem Material des keramischen Grundkörpers und der Brennbahn Spannungen aufbauen, die letztendlich zu einem Abplatzen der Brennbahn führen können.
  • Das Mischungsverhältnis ist ferner so zu wählen, dass die spezifische Wärmekapazität CP ausreichend ist, um die während eines Röntgenzyklus in die Drehanode eingeleitete Energie aufzunehmen. In der Regel können hier Werte von etwa 1,1 J/(gK) erreicht werden, was zwar nicht der Wärmekapazität von Graphit oder pyrolytischem Graphit (CP > 1,9 J/(gK)) erreicht, jedoch deutlich höher ist als die spezifische Wärmekapazität von Titan-Zirkon-Molybdän-Legierungen, die in der Regel etwa 0,25 J/(gK) beträgt.
  • Ein weiterer Vorteil der genannten Keramiken liegt in einer gegenüber konventionellen Materialen (Molybdän-Titan-Zirkon bzw. Pyrographit) deutlich verbesserten Wärmeleitfähigkeit. Im Gegensatz zu diesen Materialien bleibt die Wärmeleitfähigkeit solcher Mischkeramiken auch im Temperaturbereich zwischen 1000°C und 1500°C konstant bei ca. 60 W/mK für die Siliciumcarbidmatrix bzw. 75 W bis 80 W/mK für die eingelagerten Diboride. Dies gewährleistet einen konstanten Wärmeabtransport während des Röntgenbetriebs und verhindert die Wärmestaubildung.
  • Auch die mechanische Festigkeit der genannten Keramiken ist gegenüber konventionellen Materialien deutlich verbessert. Versuche an konventionellen Drehanoden zeigen, dass durch die hohe Dichte des Molybdän-Titan-Zirkon-Materials und dessen starken Festigkeitsverlust im Temperaturbereich zwischen 1000°C 1500°C bei Drehfrequenzen von mehr als 250 Hz ein katastrophales Versagen der Drehanoden einsetzen kann. Mechanische Berechnungen bestätigen dieses Versagensbild.
  • Drehanoden aus Siliciumcarbid unter der Zugabe von Diboriden zeigen dagegen konstante bzw. sogar steigende Festigkeitswerte bei zunehmenden Temperaturen. Im Temperaturbereich zwischen 1000°C und 1500°C können so Festigkeitswerte zwischen 450 MPa und 550 MPa erreicht werden. Diese hohen Festigkeiten ermöglichen in Verbindung mit der geringen Dichte der Siliciumcarbid-Diborid-Mischkeramiken eine deutliche Erhöhung der Drehfrequenz der Drehanode auf Werte zwischen 300 Hz und 400 Hz und erlauben zudem auch Designvariationen mit deutlich größerem Scheibendurchmesser der Drehanode.

Claims (7)

  1. Drehanode für eine Röntgenröhre, mit einem keramischen Grundkörper, welcher eine Brennbahn zur Abgabe von Röntgenstrahlung bei Elektronenbestrahlung trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus einer Mischung von Siliziumcarbid sowie wenigstens einem hochtemperaturbeständigen Diborid besteht.
  2. Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Diborid aus der Gruppe TiB2, TaB2, ZrB2 und HfB2 ausgewählt ist.
  3. Drehanode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des wenigstens einen Diborids 1–50 Vol.% des Gesamtvolumens des Grundkörpers beträgt.
  4. Verfahren zum Herstellen eines Grundkörpers für eine Drehanode einer Röntgenröhre, bei welchem ein hochtemperaturbeständiges Keramikpulver in eine Negativform gepresst und anschließend gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass Keramikpulver aus einer Mischung von Siliziumcarbid sowie wenigstens einem hochtemperaturbeständigen Diborid verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Diborid aus der Gruppe TiB2, TaB2, ZrB2 und HfB2 ausgewählt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Diborid dem Keramikpulver in einer Menge von 1–50 Vol.% zugesetzt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern als druckloses Sintern bei 2000–2300°C, als Spark-Plasma-Sintern bei 2000–2300°C oder als heiß-isostatisches Pressen bei 1700–2300°C durchgeführt wird.
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