DE102012210355A1 - Rotary anode and method for its production - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Drehanode (10) für eine Röntgenröhre, bei welchem ein Grundkörper (12) aus einer Keramik auf der Basis von Siliziumcarbid erzeugt und mit einer Wolframbrennbahn (14) versehen wird, wobei zwischen der Wolframbrennbahn (14) und dem Grundkörper (12) eine Zwischenschicht (16) erzeugt wird, welche zumindest ein Wolframsilicid und/oder Wolframcarbid umfasst.The invention relates to a method for producing a rotating anode (10) for an X-ray tube, in which a base body (12) made of a ceramic based on silicon carbide and provided with a tungsten filament (14), wherein between the tungsten filament (14) and the base body (12) an intermediate layer (16) is generated, which comprises at least one tungsten silicide and / or tungsten carbide.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Drehanode mit einem keramischen Grundkörper auf der Basis von Siliziumcarbid sowie eine Drehanode nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 9. The invention relates to a method for producing a rotary anode with a ceramic base body on the basis of silicon carbide and a rotary anode according to the preamble of claim. 9
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. Werden Elektronen auf eine Brennbahn hinreichend beschleunigt und im Brennbahnmaterial abgebremst, so entsteht eine elektromagnetische Strahlung (Röntgenstrahlung) mit einer charakteristischen Wellenlänge. X-ray tubes, such as those used in medical X-ray devices, for example, comprise a cathode, from which electrons are accelerated toward a rotating rotary anode. The rotary anode comprises a base body which carries a so-called tungsten or tungsten-rhenium alloy focal plane, which forms the actual anode. If electrons are sufficiently accelerated onto a focal track and decelerated in the fuel track material, electromagnetic radiation (X-ray radiation) having a characteristic wavelength is produced.
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. The rotation of the rotary anode while the thermal load should be kept as low as possible. Since increasingly higher radiation intensities are desired for X-ray tomography in particular, the focal spot of the electrons on the focal path should be focused as sharply and small as possible, which in turn leads to high power densities in the focal spot area and thus to a particularly high temperature development. In order to compensate for this, again particularly high rotational speeds of the rotary anode are desired.
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. Known rotary anodes have a base made of a titanium-zirconium-molybdenum alloy, which has a relatively high density with relatively low high-temperature strength. Due to the mechanical properties of such basic body can be realized in conventional rotary anodes only rotational frequencies of 200 Hz to 250 Hz.
Geeignete Werkstoffe für die Herstellung von Grundkörpern für Drehanoden, die eine verbesserte Hochtemperaturfestigkeit besitzen und daher für höhere Drehfrequenzen geeignet sind, sind Keramiken auf der Grundlage von Siliziumcarbid, insbesondere bei Zusatz von hochtemperaturfesten Diboriden. Suitable materials for the production of base bodies for rotary anodes, which have an improved high-temperature strength and are therefore suitable for higher rotational frequencies, are ceramics based on silicon carbide, in particular with the addition of high-temperature-resistant diborides.
Bei diesen Materialien hat es sich jedoch bislang als problematisch erwiesen, die Wolframbrennbahn der Drehanode zuverlässig mit dem Grundkörper zu fügen. In these materials, however, it has so far proven to be problematic to reliably add the tungsten fuel path of the rotary anode with the body.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches die zuverlässige Applikation von Wolframbrennbahnen auf Drehanoden mit keramischen Grundkörpern auf SiC-Basis ermöglicht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Drehanode nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 9 bereitzustellen, die einen besonders guten Halt der Wolframbrennbahn am keramischen Grundkörper besitzt. The present invention is therefore based on the object to provide a method of the type mentioned above, which allows the reliable application of tungsten fuel burners on rotary anodes with ceramic bodies based on SiC. The invention is further based on the object to provide a rotary anode according to the preamble of claim 9, which has a particularly good hold of the tungsten carbide on the ceramic body.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Drehanode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. This object is achieved by a method having the features of patent claim 1 and by a rotary anode having the features of patent claim 9.
Bei einem derartigen Verfahren zum Herstellen einer Drehanode für eine Röntgenröhre wird ein Grundkörper aus einer Keramik auf der Basis von Siliziumcarbid erzeugt und mit einer Wolframbrennbahn versehen, wobei zwischen der Wolframbrennbahn und dem Grundkörper eine Zwischenschicht erzeugt wird, welche zumindest ein Wolframsilicid und/oder Wolframcarbid umfasst. In such a method for producing a rotary anode for an X-ray tube, a base body made of a silicon carbide based ceramic is produced and provided with a tungsten filament, wherein between the tungsten filament and the base body an intermediate layer is produced, which comprises at least one tungsten silicide and / or tungsten carbide ,
Eine solche Zwischenschicht weist eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 2100°C auf, so dass auf die Verwendung zusätzlicher Hochtemperaturlote zum Verbinden der Wolframbrennbahn mit dem Grundkörper verzichtet werden kann. Es ist daher im Idealfall möglich, mit dem beschriebenen Verfahren eine hochtemperaturfeste und haftungsvermittelnde Zwischenschicht ohne zusätzliche Verfahrensschritte zu schaffen. Such an intermediate layer has a temperature resistance of up to 2100 ° C, so that it is possible to dispense with the use of additional high-temperature solders for connecting the tungsten fuel path to the main body. It is therefore ideally possible to create a high-temperature resistant and adhesion-promoting intermediate layer without additional process steps with the described method.
Es ist dabei zweckmäßig, von einem bereits gesinterten Grundkörper auszugehen und diesen mit der Wolframbrennbahn zu fügen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann hierfür das Diffusionsschweißen Anwendung finden. Dabei werden Wolframringe oder -segmente auf dem Grundkörper unter mechanischem Druck fixiert und auf 1650–2000°C geheizt. Zwischen dem Wolfram und der Keramik kommt es zu Diffusion, wodurch an der Grenzfläche die gewünschte Wolframcarbid- und/oder -silicid-Zwischenschicht entsteht. It is expedient to start from an already sintered body and add this with the tungsten carbide. In a preferred embodiment of the invention, diffusion welding can be used for this purpose. This tungsten rings or segments are fixed on the body under mechanical pressure and heated to 1650-2000 ° C. Diffusion occurs between the tungsten and the ceramic, creating the desired tungsten carbide and / or silicide interlayer at the interface.
Alternativ kann das Fügen von Grundkörper und Wolframbrennbahn auch durch Orbitalreibschweißen erfolgen. Hier werden Wolframplättchen in Form von Segmenten auf den Grundkörper aufgebracht. Die Reibung während des Reibschweißprozesses erhöht auch hier die Temperatur in der Fügezone auf 1600–2000°C, so dass ebenfalls durch Diffusion die erfindungsgemäße Zwischenschicht ausgebildet wird. Alternatively, the joining of the base body and the tungsten fuel path can also be carried out by orbital friction welding. Here tungsten platelets are applied in the form of segments on the base body. The friction during the friction welding process also increases the temperature in the joining zone to 1600-2000 ° C, so that also by diffusion, the intermediate layer according to the invention is formed.
Neben den obenstehend beschriebenen Fügeverfahren können auch generative Verfahren eingesetzt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird hierzu das selektive Laserschmelzen eingesetzt, wobei Wolframpulver im Bereich der zu bildenden Brennbahn auf den Grundkörper mittels Laserstrahlung aufgeschmolzen wird. Der Energieeintrag durch die Laserstrahlung führt auch hier zur Bildung der Wolframcarbid- bzw. -silicid-Zwischenschicht. In addition to the joining methods described above, generative methods can also be used. In a further preferred embodiment of the method, the selective laser melting is used for this purpose, wherein tungsten powder is melted in the region of the focal path to be formed on the base body by means of laser radiation. The energy input by the laser radiation also leads here to the formation of the tungsten carbide or silicide intermediate layer.
Ein weiteres, alternativ einsetzbares Verfahren ist das feldaktivierte Sintern, auch als Spark-Plasma-Sintern bekannt. Wurde bereits ein keramischer Grundkörper bereitgestellt, so kann durch diese Methode sowohl Wolframpulver als auch ein vorgefertigter Wolframgrundkörper durch die Applikation von Gleichstrom unter Druck in Form der gewünschten Brennbahn aufgebracht werden. Durch den elektrischen Widerstand wird die elektrische Leistung in Wärmeleistung umgesetzt und ebenfalls die notwendige Sintertemperatur zur Bildung der Zwischenschicht erreicht. Another alternatively employable method is field activated sintering, also known as spark plasma sintering. If a ceramic base body has already been provided, by this method both tungsten powder and a prefabricated tungsten base body can be applied by the application of direct current under pressure in the form of the desired focal track. The electrical resistance converts the electrical power into heat output and likewise achieves the necessary sintering temperature for forming the intermediate layer.
Neben der Verbindung von vorgesinterten Grundkörpern erlaubt es das feldaktivierte Sintern auch, Grundkörper und Brennbahn gleichzeitig aus jeweiligen Pulvervorprodukten gemeinsam zur fertigen Drehanode zu sintern. In addition to the connection of pre-sintered bodies, the field-activated sintering also allows sintering of the base body and the fuel track simultaneously from respective powder precursors to the finished rotating anode.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die für die Erzeugung des Grundkörpers genutzte Keramik zumindest ein hochtemperaturbeständiges Diborid. Durch einen solchen Zusatz zu SiC-basierten Keramiken kann deren Temperaturbeständigkeit und mechanische Festigkeit gesteigert werden, so dass besonders haltbare Drehanoden erhalten werden. In a further preferred embodiment of the invention, the ceramic used for the production of the base body comprises at least one high-temperature-resistant diboride. By such addition to SiC-based ceramics, their temperature resistance and mechanical strength can be increased, so that particularly durable rotary anodes are obtained.
Die Erfindung betrifft ferner eine Drehanode, wie sie mittels eines solchen Verfahrens erhältlich ist. Wie bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens geschildert, verleiht eine Zwischenschicht aus Wolframcarbiden und/oder Wolframsiliciden zwischen der Wolframbrennbahn und dem Siliciumcarbidbasierten Grundkörper der Drehanode eine besonders gute mechanische und thermische Beständigkeit. The invention further relates to a rotary anode, as obtainable by means of such a method. As already described with reference to the method according to the invention, an intermediate layer of tungsten carbides and / or tungsten silicides between the tungsten fuel rail and the silicon carbide-based main body of the rotary anode gives a particularly good mechanical and thermal resistance.
Auch hier ist es zur Verbesserung der Materialeigenschaften zweckmäßig, wenn der Grundkörper neben Siliziumcarbid zumindest ein hochtemperaturbeständiges Diborid umfasst. Again, it is useful to improve the material properties, if the main body in addition to silicon carbide comprises at least one high-temperature resistant diboride.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige FIG zeigt hierbei eine schematische Schnittdarstellung durch den Verbindungsbereich zwischen einem keramischen Grundkörper und einer Wolframbrennbahn eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drehanode. In the following the invention and its preferred embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. The single FIGURE shows a schematic sectional view through the connection region between a ceramic base body and a tungsten filament web of an embodiment of a rotary anode according to the invention.
Eine im Ganzen mit
Aufgrund der hohen Energiedichte im Betrieb moderner Röntgenröhren sind für den Grundkörper
Um den Halt der Brennbahn
Zur Erzeugung einer derartigen Verbindung zwischen Brennbahn
Beim Diffusionsschweißen werden zunächst Wolframringe oder Segmente in Form der zu bildenden Brennbahn
Alternativ kann auch das orbitale Reibschweißen zur Herstellung der Drehanode
Neben den bereits geschilderten Fügeverfahren können auch generative Verfahren zum Herstellen der Drehanode
Ein weiteres generatives Verfahren, welches zur Herstellung der Drehanode
Bei diesem Verfahren können sowohl die Brennbahn
Die zuletzt geschilderten generativen Verfahren bringen den zusätzlichen Vorteil mit sich, dass sie die Ausbildung komplex geformter Brennbahnen
Eine besonders schnelle Herstellung der Drehanode
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