DE102011083413B4

DE102011083413B4 - Verfahren zum Herstellen einer Röntgenanode und Röntgenanode

Info

Publication number: DE102011083413B4
Application number: DE102011083413.3A
Authority: DE
Inventors: Jörg Freudenberger; Stefan Lampenscherf; Steffen Walter
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2018-08-23
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: CN103021761B; DE102011083413A1; CN103021761A

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Röntgenanode (12), welche zumindest in ihrem Brennpunktbereich (10) in die Oberfläche eines Röntgenanodengrundkörpers eingebrachte Vertiefungen (14) umfasst, wobei die Vertiefungen (14) mittels eines Ablationsverfahrens in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Ablationsverfahrens sacklochartige Vertiefungen (14) in der Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers erzeugt werden, wobei die Vertiefungen (14) zumindest im Wesentlichen entlang gitterartiger Linien angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Röntgenanode sowie eine Röntgenanode, welche zumindest in ihrem Brennpunktbereich eine strukturierte Oberfläche umfasst.
Bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung, beispielsweise für medizinische Anwendungen, wird eine Röntgenanode, welche in der Regel aus metallischem Anodenmaterial besteht, mit Elektronen beaufschlagt. Beim Auftreffen auf die Röntgenanode erden die Elektronen stark abgebremst, wodurch einerseits Röntgenstrahlung (sog. Bremsstrahlung) und andererseits Wärme entsteht. Beim Auftreffen hochbeschleunigter Elektronen auf die Röntgenanode wird jedoch nur etwa ein Prozent der kinetischen Energie dieser Elektronen in Röntgenstrahlenergie umgesetzt. Die restliche Energie wird fast ausschließlich in Wärme umgesetzt und muss von der Röntgenanode abgeleitet bzw. abgestrahlt werden. Das Gleichgewichtstemperaturprofil in der Röntgenanode wird von der erzeugten Wärmeleistung und dem Wärmeleit- und Emissionsvermögen bestimmt. Übliche Röntgenanoden umfassen meistens einen Röntgenanodengrundkörper, der aus einem hochschmelzenden Metall bzw. einer Metalllegierung oder aus einem keramischen Material besteht. Der Brennpunktbereich der Röntgenanode, das heißt die Stelle, auf welche die Elektronen auftreffen, besteht in der Regel aus dem hochschmelzenden Metall Wolfram bzw. einer Wolfram/Rhenium-Legierung.
Insbesondere der Brennpunktbereich wird hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Bei der Entstehung von Röntgenstrahlung können Temperaturen von über 2500°C auf der Brennbahn bzw. dem Brennpunktbereich erreicht werden, die zu einem vorzeitigen Altern der Röntgenanode führen. Gealterte Brennpunktbereiche zeigen insbesondere ein starkes Rissgefüge und Riesenkornwachstum durch Rekristallisation des Metallgefüges, wobei mit zunehmender Rissbildung die Dosisleistung der Röntgenstrahlung abnimmt.
Die Entstehung des Rissgefüges wird beispielsweise bei Röntgendrehanoden (Drehanode mit typischen Frequenzen zwischen 100 und 200 Hz) durch die hohen zyklischen Temperaturbelastungen erklärt, wobei das rekristallisierte Metallgefüge unter schnellen Zug- und Druckspannungsabfolgen zerrüttet wird. Die Zerrüttung des Metallgefüges kann soweit gehen, das sogar ganze Körner oder Bereich aus dem Brennbahnverbund herausfallen, wodurch die erzielbare Dosisleistung erheblich reduziert wird. Die Röntgenanode muss in diesem Fall repariert oder ausgetauscht werden.
Ursprünglich wurden die Brennpunktbereiche bzw. Brennbahnen auf die Drehanodenkörper geschmiedet, um somit eine feste Verbindung zu erzeugen. Das Schmiedeverfahren galt lange Jahre als Standardverfahren. Um die Lebensdauer von Röntgenanoden zu verlängern, ist es bekannt, die Festigkeit der W-Brennbahn durch Oxidabscheidungen an den Korngrenzen der W-Körner (sog. „Oxide Dispersion Strengthening“) zu erhöhen. Ebenfalls bekannt zur Erzeugung von widerstandsfähigen Schichtstrukturen ist die Verwendung thermischer Spritzverfahren (z.B. Vakuum Plasma Spraying), bei welchen Zusatzwerkstoffe innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab-, an- oder aufgeschmolzen, in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und auf die Oberfläche der Röntgenanode geschleudert werden.
Die DE 103 60 018 A1 offenbart eine Röntgenanode mit einer thermisch hochbelastbaren Oberfläche. In der betreffenden Oberfläche der Röntgenanode sind definierte Mikroschlitze angeordnet. Darüber hinaus wird ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer solchen Röntgenanode beschrieben.
Die US 5 629 970 A offenbart eine scheibenförmige Röntgenanode mit einem Brennpunktbereich. Außerhalb des Brennpunktbereichs weist die Röntgenanode eine raue Oberfläche auf, wobei die Breite und Tiefe der Vertiefungen auf der Oberfläche größer sind als die Wellenlänge der emittierten Strahlung während des Betriebs der Röntgenanode.
Aus der US 7 356 122 B2 ist ein Verfahren zu entnehmen, bei welchem mit Hilfe von elektrochemischen Ätzverfahren Vertiefungen in die Oberfläche eines Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden, um zumindest die Oberfläche im Brennpunktbereich der Röntgenanode mikrozustrukturieren. Der elektrochemisch bearbeitete Brennpunktbereich umfasst diskrete kegelförmige Strukturen, auf deren „Inselflächen“ die Röntgenstrahlung erzeugt wird. Die freistehenden Inselflächen können sich im Wechsel der Temperaturzyklen ausdehnen und zusammenziehen, wodurch die Beschädigung des Metallgefüges und die Entstehung von Rissen verlangsamt werden.
Als nachteilig an dem bekannten Verfahren ist der Umstand anzusehen, dass Röntgenanoden mit unregelmäßigen, insbesondere gekrümmten Oberflächen nur mit sehr hohem Kostenaufwand bearbeitet werden können, da hierfür spezielle Masken erforderlich sind. Darüber hinaus können insbesondere in Randzonen der gekrümmten Oberflächen signifikante Maßabweichungen auftreten, was teuere und aufwändige Nachbearbeitungsschritte nach sich zieht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem Röntgenanoden mit unterschiedlichen Oberflächengeometrien schnell, präzise und kostengünstig hergestellt werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine entsprechend schnell, präzise und kostengünstig herstellbare Röntgenanode bereitzustellen.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Röntgenanode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungen der Röntgenanode und umgekehrt anzusehen sind.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren werden zumindest die im Brennpunktbereich der Röntgenanode vorgesehenen Vertiefungen mittels eines Ablationsverfahrens in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht, wobei mittels des Ablationsverfahrens sacklochartige Vertiefungen in der Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers erzeugt werden und wobei die Vertiefungen zumindest im Wesentlichen entlang gitterartiger Linien angeordnet sind. Bei einem Ablationsverfahren wird ein hochenergetischer Strahl, beispielsweise ein Elektronen- oder Laserstrahl, mit einer geeigneten Ablationsvorrichtung er-zeugt und mit entsprechenden Strahlführungen, -formungen und -ablenkung auf die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers gelenkt. Der Energieeintrag in das zu bearbeitende Material ist dabei so hoch, dass das Material verdampft und somit abgetragen wird. Durch das Einbringen der Vertiefungen wird mit anderen Worten ein definiertes „Rissgefüge“ an der Oberfläche der Röntgenanode erzeugt, wodurch mögliche Eigenspannungen im Gefüge der Röntgenanode während des Betriebs reduziert werden. Dies verringert die Antriebskraft für die Ausbreitung rissartiger Defekte und geht mit einer Verlängerung der Brennbahnlebensdauer und einer entsprechend gleichmäßigen Dosisleistung einher.
Im Unterschied zu Strukturierungsverfahren wie beispielsweise dem Trockenätzen können mit Hilfe des Ablationsverfahrens auch gekrümmte oder unregelmäßig geformte Oberflächen einer Röntgenanode schnell, präzise und kostengünstig strukturiert werden, da die beispielsweise beim Trockenätzen erforderliche Herstellung von gekrümmten öder anderweitig angepassten Masken etc. vorteilhaft entfällt. Stattdessen ist es ausreichend, den Röntgenanodengrundkörper zur Strukturierung seiner Oberfläche relativ zur verwendeten Ablationsvorrichtung auszurichten und zu positionieren. Dabei kann in der Regel eine bestimmte Ablationsvorrichtung ohne die Notwendigkeit von Modifikationen oder Anpassungen zur Herstellung unterschiedlichst geformter Röntgenanoden verwendet werden. Mit Hilfe des Ablationsverfahrens können zudem im Unterschied zum Stand der Technik Mikrostrukturen mit einem Aspektverhältnis von bis zu 50:1 besonders schnell und maßhaltig auch in gekrümmte oder unregelmäßige Oberflächen eingebracht werden, wodurch erhebliche Zeit- und Kostensenkungen bei der Herstellung von Röntgenanoden erzielt werden.
Unter einer sacklochartigen Vertiefung wird im Rahmen der Erfindung eine Vertiefung verstanden, die den Röntgenanodengrundkörper nicht vollständig durchdringt und zumindest überwiegend zylindrisch ausgebildet ist. Hierdurch kann eine Art „Perforation“ der Oberfläche erzeugt werden, wobei die sacklochartigen Vertiefungen während des Betriebs der Röntgenanode als eine Art Sollbruchstelle fungieren. Auf diese Weise kann die Bearbeitungszeit der Röntgenanode erheblich verkürzt werden, da sich eine gewünschte Mikrostrukturierung der Oberfläche während des Betriebs der Röntgenanode im Brennpunktbereich aufgrund der auftretenden Materialspannungen durch definierte Mikroausbrüche herausbildet. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass sacklochartige Vertiefungen mit gleichen oder unterschiedlichen Durchmessern in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden. Mit Hilfe eines gitterförmigen Musters können das Rissgefüge im Brennpunktbereich besonders wirksam minimiert und die Spannungsverteilung im Material reduziert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vertiefungen mittels Laserpulsen, insbesondere mittels eines fs-, ps- und/oder ns-Lasers, und/oder mittels eines Elektronenstrahlablationsverfahrens in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden. Die Verwendung von Lasern zur Erzeugung von Laserpulsen, insbesondere von ultrakurzen Laserpulsen, ermöglicht ein sehr präzises Arbeiten mit praktisch jeder Art von Material, so dass sowohl unterschiedlich geformte Röntgenanodengrundkörper als auch Röntgenanodengrundkörper aus unterschiedlichsten Materialien und Materialpaarungen problemlos bearbeitet werden können. Die Verwendung von fs-Lasern bietet den Vorteil, dass es aufgrund der sehr kleinen Zeitskala des Laserpulses zu einem direkten Übergang vom festen Zustand in den Plasma- oder Gaszustand kommt, das heißt dass die flüssige Phase praktisch übersprungen wird. Hierdurch kann eine Wärmeleitung in die direkte Umgebung der bearbeiteten Oberfläche vernachlässigt werden. Dies ermöglicht ein sehr präzises Arbeiten, da die Effekte durch den Laserpuls auf den jeweils bearbeiteten Bereich des Röntgenanodengrundkörpers beschränkt bleiben. Darüber hinaus ist die Ablationstiefe bei einem fs-Laserpuls logarithmisch von der absorbierten Laserleistung abhängig, so dass die Ablationstiefe sehr präzise über die Intensität des Pulses einstellbar ist. Entsprechendes gilt für die Verwendung von ps-Lasern, wobei es hier aufgrund der längeren Zeitdauer in Abhängigkeit des verwendeten Materials theoretisch zu einer geringfügigen, aber für gängige Anwendungen unerheblichen Beeinflussung der die erzeugte Vertiefung begrenzenden Bauteilbereiche kommen kann. Für verschiedene Anwendungen kann auch die Verwendung eines relativ kostengünstigeren ns-Lasers ausreichen, wobei es aufgrund der längeren Zeitdauer der Laserpulse zu entsprechend größeren Beeinflussungen der die erzeugte Vertiefung begrenzenden Bauteilbereiche kommen kann. Auch die Elektronenenergie sowie die Strahlleistung bei Elektronenstrahlablationsverfahren können in einem weiten Bereich variiert und damit optimal an den jeweiligen Röntgenanodengrundkörper bzw. das Material des Brennpunktbereichs angepasst werden. Darüber hinaus eröffnet die Verwendung von Elektronenstrahlablationsverfahren die Möglichkeit, die Oberflächenbeschaffenheit der bearbeiteten Oberfläche durch die Erfassung rückgestreuter Elektronen elektronenmikroskopartig zu ermitteln, wodurch eine in-situ Kontrolle des Herstellungsprozesses und damit die Herstellung einer Röntgenanode mit besonders hoher Maßhaltigkeit ermöglicht ist.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Vertiefungen zumindest im Wesentlichen quaderförmige Oberflächenerhebungen begrenzen. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Vertiefungen derart in die Röntgenanode eingebracht werden, dass in Aufsicht ein schachbrettartiges Muster auf der Oberfläche der Röntgenanode entsteht. Dabei kann es grundsätzlich vorgesehen sein, dass die Vertiefungen unterbrochen oder ununterbrochen, das heißt beispielsweise ein Form einer strichlierten Linie, in Form einer punktierten Linie oder in Form einer strichpunktierten Linie über die bearbeitete Oberfläche der Röntgenanode verlaufen. Mit Hilfe eines derartigen schachbrettartigen bzw. gitterförmigen Musters können das Rissgefüge im Brennpunktbereich besonders wirksam minimiert und die Spannungsverteilung im Material reduziert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vertiefungen mit einer Tiefe von mindestens 40 µm und/oder mit einer Tiefe von höchstens 150 µm in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden. Mit Hilfe von Vertiefungen, welche eine Tiefe von mindestens 40 µm aufweisen, kann die Entstehung eines Rissgefüges besonders wirksam verhindert werden, da dem Material der Röntgenanode auch bei hoher thermischer Belastung bzw. Wechselbelastung ausreichender Raum zum Ausgleichen von Volumenänderungen und dergleichen zur Verfügung steht. Hierdurch wird die Lebenszeit der Röntgenanode und insbesondere der Brennbahn bzw. des Brennpunktbereichs signifikant erhöht. Im Gegensatz zu den bekannten Ätzverfahren, mit welchen lediglich geringe Ätztiefen von etwa 10 µm bis 20 µm darstellbar sind, können mit Hilfe des Ablationsverfahrens ohne weiteres Vertiefungen mit Tiefen von bis zu 150 µm oder mehr mit hoher Präzision und kurzer Herstellungszeit erzeugt werden. Vorzugsweise besitzen die Vertiefungen Tiefen von 40 µm, 45 µm, 50 µm, 55 µm, 60 µm, 65 µm, 70 µm, 75 µm, 80 µm, 85 µm, 90 µm, 95 µm, 100 µm, 105 µm, 110 µm, 115 µm, 120 µm, 125 µm, 130 µm, 135 µm, 140 µm, 145 µm oder 150 µm bzw. Tiefen mit entsprechenden Zwischenwerten wie beispielsweise 50 µm, 51 µm, 52 µm, 53 µm, 54 µm, 55 µm, 56 µm, 57 µm, 58 µm, 59 µm, 60 µm usw. Als besonders vorteilhaft haben sich für übliche Anwendungen Röntgenanoden mit Vertiefungen zwischen 45 µm und 120 µm, insbesondere zwischen 50 µm und 100 µm gezeigt, um die Entstehung eines Rissgefüges zu verhindern und die Spannungsverteilung in der Brennbahn auch bei hohen Belastungen zu vergleichmäßigen. Bei Vertiefungen, die eine Tiefe über 150 µm aufweisen, wird die während des Betriebs der Röntgenanode in den Vertiefungen erzeugte Röntgenstrahlung überwiegend an den Wänden der Vertiefungen absorbiert und steht somit einer Nutzung nicht zur Verfügung. Hierdurch sinkt die erzielbare Strahlendosis in der Regel um einen Wert, der dem Dosisverlust entspricht, der sich auch durch den herkömmlichen Anodenverschleiß bei einer unstrukturierten Röntgenanode einstellen würde, so dass durch die Mikrostrukturierung der Anodenoberfläche bei Vertiefungen über 150 µm in der Regel kein diesbezüglicher Vorteil mehr erzielbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels des Ablationsverfahrens schlitzförmige Vertiefungen in der Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers erzeugt werden. Mit Hilfe von schlitzförmigen Vertiefungen können Belastungs- und Eigenspannungen im Gefüge des Röntgenanodengrundkörpers besonders zuverlässig abgebaut werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Vertiefungen im Querschnitt zumindest im Wesentlichen rechteckig oder trapezförmig ausgebildet sind. Schlitzförmige Vertiefungen können beispielsweise durch relative Bewegung des beim Ablationsverfahren verwendeten Energiestrahls gegenüber der Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers entlang eines vorgegebenen Pfads erzeugt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die schlitzförmigen Vertiefungen mit einer Breite zwischen 2 µm und 12 µm in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden und/oder wenn die schlitzförmigen Vertiefungen derart in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden, dass ein Abstand zwischen benachbarten schlitzförmigen Vertiefungen zwischen 80 µm und 320 µm beträgt. Unter einer Breite zwischen 2 µm und 12 µm sind im Rahmen der Erfindung insbesondere Breiten von 2 µm, 3 µm, 4 µm, 5 µm, 6 µm, 7 µm, 8 µm, 9 µm, 10 µm, 11 µm oder 12 µm sowie entsprechende Zwischenwerte zu verstehen. Unter einem ein Abstand zwischen 80 µm und 320 µm sind im Rahmen der Erfindung insbesondere Abstände von 80 µm, 90 µm, 100 µm, 110 µm, 120 µm, 130 µm, 140 µm, 150 µm, 160 µm, 170 µm, 180 µm, 190 µm, 200 µm, 210 µm, 220 µm, 230 µm, 240 µm, 250 µm, 260 µm, 270 µm, 280 µm, 290 µm, 300 µm, 310 µm oder 320 µm sowie entsprechende Zwischenwerte, also beispielsweise 100 µm, 101 µm, 102 µm, 103 µm, 104 µm, 105 µm, 106 µm, 107 µm, 108 µm, 109 µm oder 110 µm zu verstehen. Durch derartig dimensionierte schlitzförmige Vertiefungen kann die Entstehung eines Rissgefüges besonders effektiv verhindert werden, wobei gleichzeitig sichergestellt ist, dass der durch die Mikrostrukturierung der Oberfläche resultierende Dosisleistungsverlust maximal etwa 8% bis 10% beträgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die schlitzförmige Vertiefungen derart in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden, dass ein Verhältnis von B:A ≤ 0,1 beträgt, wobei B die durchschnittliche Breite der schlitzförmigen Vertiefungen in µm und A den durchschnittlichen Abstand zwischen zwei benachbarten schlitzförmigen Vertiefungen in µm bezeichnen. Indem die schlitzförmigen Vertiefungen dem vorstehend genannten Verhältnis von Breite:Abstand entsprechen, kann die Entstehung eines Rissgefüges besonders effektiv verhindert werden, wobei gleichzeitig sichergestellt ist, dass der durch die Mikrostrukturierung der Oberfläche resultierende Dosisleistungsverlust maximal etwa 8% bis 10% beträgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die sacklochartigen Vertiefungen derart in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden, dass ein Verhältnis von A:D zwischen 1,0 und 3,0 beträgt, wobei A den Abstand zwischen zwei benachbarten sacklochartigen Vertiefungen in µm und D den durchschnittlichen Durchmesser der sacklochartigen Vertiefungen in µm bezeichnen. Unter einem Verhältnis von Abstand:Durchmesser zwischen 1,0 und 3,0 sind insbesondere Verhältnisse von 1,0, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 2,0, 2,1, 2,2, 2,3, 2,4, 2,5, 2,6, 2,7, 2,8, 2,9 oder 3,0 sowie entsprechende Zwischenwerte zu verstehen. Hierdurch wird eine besonders effiziente Perforierung der Oberfläche mit einer entsprechend präzisen Ausbildung der gewünschten Mikrostrukturierung erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Röntgenanodengrundkörper während des Einbringens der Vertiefungen in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers einmal oder mehrmals relativ zu einer zur Durchführung des Ablationsverfahrens verwendeten Ablationsvorrichtung positioniert wird. Hierdurch können Röntgenanoden mit nahezu beliebig geformten Oberflächen hergestellt werden. Beispielsweise kann die Röntgenanode zur Strukturierung und zum Einbringen der Vertiefungen in einer entsprechende Halterung der Ablationsvorrichtung festgelegt und mit feinmechanischen Stellmotoren gekippt, verfahren oder anderweitig positioniert werden. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber Strukturierungsverfahren wie beispielsweise dem Trockenätzen dar. Müsste man beispielsweise eine Wolfram-Brennbahn, die auf einer Röntgenanode aufgebracht und um 7-10° gegenüber der sonstigen Oberfläche der Röntgenanode gekippt ist, mit einem Trockenätzverfahren strukturieren, so wäre die kostenintensive und aufwändige Herstellung von gekrümmten Masken notwendig.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Röntgenanode, welche zumindest in ihrem Brennpunktbereich in die Oberfläche eines Röntgenanodengrundkörpers eingebrachte Vertiefungen umfasst. Dabei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vertiefungen mittels eines Ablationsverfahrens in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht sind, wobei mittels des Ablationsverfahrens sacklochartige Vertiefungen in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht sind und wobei die Vertiefungen zumindest im Wesentlichen entlang gitterartiger Linien angeordnet sind. Mit Hilfe des Ablationsverfahrens kann die Röntgenanode schnell, präzise und kostengünstig hergestellt werden, wobei es unerheblich ist, ob die Röntgenanode bzw. ihr Brennpunktbereich gekrümmt oder unregelmäßig geformt ist. Weitere sich hieraus ergebenden Vorteile sind den vorhergehenden Beschreibungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu entnehmen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein überwiegender Teil der Vertiefungen eine Breite zwischen 2 µm und 12 µm und/oder eine Tiefe zwischen 40 µm und 150 µm und/oder einen Abstand zwischen 80 µm und 320 µm aufweist. Hierdurch können Eigenspannungen im Gefüge der Röntgenanode während des Betriebs besonders effizient reduziert bzw. von vornherein vermieden werden. Dies verringert die Antriebskraft für die Ausbreitung rissartiger Defekte und geht mit einer erheblichen Verlängerung der Brennbahnlebensdauer einher. Der aus den angegebenen Dimensionen resultierende Dosisleistungsverlust gegenüber einer herkömmlichen Röntgenanode ohne strukturierte Oberfläche beträgt dabei maximal etwa 8 bis 10% und liegt damit in einem tolerierbaren Rahmen.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Röntgenanode sacklochartige Vertiefungen mit einem Verhältnis von A:D zwischen 1,0 und 3,0 umfasst, wobei A den Abstand zwischen zwei benachbarten sacklochartigen Vertiefungen in µm und D den durchschnittlichen Durchmesser der sacklochartigen Vertiefungen in µm bezeichnen. Das hohe Aspektverhältnis, das mit Hilfe des Ablationsverfahrens erzielbar ist, erlaubt im Gegensatz zum Stand der Technik die Herstellung einer Art „Perforation“, wobei die Lochabstände vorzugsweise das Doppelte des Lochdurchmessers betragen. Hierdurch kann die Röntgenanode besonders schnell hergestellt werden, da sich im Betrieb der Brennbahn durch Rissbildung an den als Sollbruchstellen fungierenden sacklochartigen Vertiefungen eine vom Verteilungsmuster der Vertiefungen abhängige, mikrostrukturierte Oberfläche ausbildet.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Röntgenanode als Röntgendrehanode ausgebildet ist. Hierdurch besitzt die Röntgenanode in Verbindung mit den erfindungsgemäß hergestellten Vertiefungen eine besonders lange Lebenszeit und ermöglicht zudem eine höhere Strahlungsintensität, als dies bei einer feststehenden Röntgenanode bis zum Aufschmelzen des Anodenmaterials erreichbar wäre.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele erhältlichen Röntgenanode und/oder einer Röntgenanode nach einem der der vorhergehenden Ausführungsbeispiele in einem Röntgengerät. Die sich hieraus ergebenden Vorteile, insbesondere im Hinblick auf die erzielbaren Kostensenkungen bei gleichzeitig signifikant verlängerter Lebensdauer der Röntgenanode, sind den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Aufsicht eines Brennpunktbereichs einer Röntgenanode; und
2 eine schematische Aufsicht eines Brennpunktbereichs einer Röntgenanode gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

1 zeigt eine schematische Aufsicht eines Brennpunktbereichs 10 einer nicht zur Erfindung gehörenden Röntgenanode 12, in welchen mit Hilfe eines Ablationsverfahrens eine Mikrostrukturierung in Form von schlitzförmigen Vertiefungen 14 eingebracht ist. Die Röntgenanode 12 ist im vorliegenden Beispiel als Röntgendrehanode ausgebildet und umfasst einen Röntgengrundkörper (nicht gezeigt) aus einer wärmefesten Molybdän-Legierung. Der Brennpunktbereich 10 besteht demgegenüber aus Wolfram. Grundsätzlich können jedoch auch andere Materialien bzw. Materialpaarungen vorgesehen sein. Beispielsweise kann die gesamte Röntgenanode 12 aus Wolfram oder einer Wolframlegierung bestehen. Die Vertiefungen 14 besitzen eine Tiefe zwischen 50 µm und 100 µm sowie eine Breite zwischen 3 µm und 10 µm und sind in Form eines schachbrettartigen Gitters ausgebildet. Der Abstand zwischen benachbarten, parallel verlaufenden Vertiefungen 14 beträgt zwischen 100 µm und 300 µm, so dass das Verhältnis von B:A maximal 0,1 beträgt, wobei B die Breite der schlitzförmigen Vertiefungen in µm und A den Abstand zwischen zwei benachbarten schlitzförmigen Vertiefungen in µm bezeichnen. Dieses Verhältnis stellt sicher, dass der in den Vertiefungen 14 verlorene Röntgenstrahlungsanteil nicht größer ist, als der sich durch den üblichen Dosisverlust aufgrund von Anodenverschleiß bei herkömmlichen Röntgenanoden einstellende Röntgenstrahlungsanteil. Man erkennt, dass die Vertiefungen 14 im Wesentlichen quaderförmige Oberflächenerhebungen 16 begrenzen, welche sich während des Betriebs der Röntgenanode 12 in die Vertiefungen 14 ausdehnen können. Aufgrund der Tiefe der Vertiefungen von über 40 µm können die Entstehung eines Rissgefüges besonders effektiv verhindert und die Eigenspannungen im Wolfram-Gefüge reduziert werden. Dies verringert die Antriebskraft für die Entstehung und Ausbreitung rissartiger Defekte und geht mit einer erheblichen Verlängerung der Brennbahnlebensdauer und damit der Röntgenanode 12 einher. Der aus der gezeigten Mikrostrukturierung resultierende Dosisleistungsverlust gegenüber einer herkömmlichen Röntgenanode mit unstrukturiertem Brennpunktbereich beträgt dabei üblicherweise etwa 6% und maximal etwa 10%. Die Verwendung einer Ablationsvorrichtung erlaubt dabei einerseits die besonders präzise, schnelle und kostengünstige Herstellung der Vertiefungen 14 und andererseits die Herstellung von Vertiefungen 14 mit Tiefen von mehr als 40 µm.
2 zeigt eine schematische Aufsicht des Brennpunktbereichs 10 der Röntgenanode 12, in welchen mit Hilfe eines Ablationsverfahrens eine Mikrostrukturierung in Form von sacklochartigen Vertiefungen 14 eingebracht ist. Die Vertiefungen 14 besitzen wie im vorhergehenden Beispiel eine Tiefe zwischen 50 µm und 100 µm und sind ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel entlang gitterartiger Linien angeordnet, so dass sich im Prinzip das in 1 gezeigte schachbrettartige Muster ergibt. Aufgrund des mit Hilfe des Ablationsverfahrens erzielbaren Aspektverhältnisses kann somit anstelle der in 1 gezeigten schlitzförmigen Vertiefungen 14 eine Art „Perforation“ der Ränder der inselartigen Oberflächenerhebungen 16 des schachbrettartigen Musters erzeugt werden. Die Abstände zwischen benachbarten sacklochartigen Vertiefungen 14 beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa das Zweifache des Lochdurchmessers der Vertiefungen 14. Dadurch kann die Bearbeitungszeit der Röntgenanode 10 erheblich verkürzt werden, da sich das in 1 gezeigte schachbrettartige Muster im Betrieb der Röntgenanode 12 im Brennpunktbereich 10 durch Rissbildung an den als Sollbruchstellen fungierenden Vertiefungen 14 von selbst ausbildet.
Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Röntgenanode (12), welche zumindest in ihrem Brennpunktbereich (10) in die Oberfläche eines Röntgenanodengrundkörpers eingebrachte Vertiefungen (14) umfasst, wobei die Vertiefungen (14) mittels eines Ablationsverfahrens in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Ablationsverfahrens sacklochartige Vertiefungen (14) in der Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers erzeugt werden, wobei die Vertiefungen (14) zumindest im Wesentlichen entlang gitterartiger Linien angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (14) mittels ultrakurzer Laserpulse, insbesondere mittels eines fs-, ps- und/oder ns-Lasers, und/oder mittels eines Elektronenstrahlablationsverfahrens in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (14) zumindest im Wesentlichen quaderförmige Oberflächenerhebungen (16) begrenzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (14) mit einer Tiefe von mindestens 40 µm und/oder mit einer Tiefe von höchstens 150 µm in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Ablationsverfahrens schlitzförmige Vertiefungen (14) in der Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmigen Vertiefungen (14) mit einer Breite zwischen 2 µm und 12 µm in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden und/oder dass die schlitzförmigen Vertiefungen (14) derart in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden, dass ein Abstand zwischen benachbarten schlitzförmigen Vertiefungen (14) zwischen 80 µm und 320 µm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmige Vertiefungen (14) derart in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden, dass ein Verhältnis von B:A ≤ 0,1 beträgt, wobei B die durchschnittliche Breite der schlitzförmigen Vertiefungen (14) in µm und A den durchschnittlichen Abstand zwischen zwei benachbarten schlitzförmigen Vertiefungen (14) in µm bezeichnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die sacklochartigen Vertiefungen (14) derart in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht werden, dass ein Verhältnis von A:D zwischen 1,0 und 3,0 beträgt, wobei A den Abstand zwischen zwei benachbarten sacklochartigen Vertiefungen (14) in µm und D den durchschnittlichen Durchmesser der sacklochartigen Vertiefungen (14) in µm bezeichnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgenanodengrundkörper während des Einbringens der Vertiefungen (14) in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers einmal oder mehrmals relativ zu einer zur Durchführung des Ablationsverfahrens verwendeten Ablationsvorrichtung positioniert wird.
Röntgenanode (12), welche zumindest in ihrem Brennpunktbereich (10) in die Oberfläche eines Röntgenanodengrundkörpers eingebrachte Vertiefungen (14) umfasst, wobei die Vertiefungen (14) mittels eines Ablationsverfahrens in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Ablationsverfahrens sacklochartige Vertiefungen (14) in die Oberfläche des Röntgenanodengrundkörpers eingebracht sind, wobei die Vertiefungen (14) zumindest im Wesentlichen entlang gitterartiger Linien angeordnet sind.
Röntgenanode (12) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein überwiegender Teil der Vertiefungen (14) eine Breite zwischen 2 µm und 12 µm und/oder eine Tiefe zwischen 40 µm und 150 µm und/oder einen Abstand zwischen 80 µm und 320 µm aufweist.
Röntgenanode (12) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese sacklochartige Vertiefungen (14) mit einem Verhältnis von A:D zwischen 1,0 und 3,0 umfasst, wobei A den Abstand zwischen zwei benachbarten sacklochartigen Vertiefungen (14) in µm und D den durchschnittlichen Durchmesser der sacklochartigen Vertiefungen (14) in µm bezeichnen.
Röntgenanode (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Röntgendrehanode ausgebildet ist.
Verwendung einer mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erhältlichen Röntgenanode (12) und/oder einer Röntgenanode (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 13 in einem Röntgengerät.