DE102012213158A1 - X-ray tube has diffusion barrier layer whose hydrogen diffusion coefficient is lower than hydrogen diffusion coefficient of vacuum housing - Google Patents
X-ray tube has diffusion barrier layer whose hydrogen diffusion coefficient is lower than hydrogen diffusion coefficient of vacuum housing Download PDFInfo
- Publication number
- DE102012213158A1 DE102012213158A1 DE201210213158 DE102012213158A DE102012213158A1 DE 102012213158 A1 DE102012213158 A1 DE 102012213158A1 DE 201210213158 DE201210213158 DE 201210213158 DE 102012213158 A DE102012213158 A DE 102012213158A DE 102012213158 A1 DE102012213158 A1 DE 102012213158A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- barrier layer
- diffusion barrier
- ray tube
- vacuum housing
- hydrogen
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J35/00—X-ray tubes
- H01J35/02—Details
- H01J35/20—Selection of substances for gas fillings; Means for obtaining or maintaining the desired pressure within the tube, e.g. by gettering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2235/00—X-ray tubes
- H01J2235/20—Arrangements for controlling gases within the X-ray tube
- H01J2235/205—Gettering
Landscapes
- X-Ray Techniques (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse, in dem wenigstens eine Kathode und wenigstens eine Anode angeordnet sind. The invention relates to an X-ray tube with a vacuum housing in which at least one cathode and at least one anode are arranged.
Die Erzeugung von Röntgenstrahlung erfolgt im Vakuumgehäuse der Röntgenröhre 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 bis ca. 150 kV, die zwischen der Elektronenquelle und der Anode anliegt, auf die gewünschte Primärenergie beschleunigt. Verschiedene Fokussierungseinrichtungen, z.B. als Bestandteil der Kathode sorgen für die Bündelung der austretenden Elektronen zu einem Elektronenstrahl, um eine örtlich begrenzte Aufprallfläche auf der Anode zu erzwingen. The generation of X-radiation takes place in the vacuum housing of the X-ray tube by bombarding an anode with electrons. The electrons are in turn released from an electron source (cathode with a thermionic emitter or a field emitter) and accelerated to the desired primary energy over a high voltage up to about 150 kV, which is applied between the electron source and the anode. Various focusing devices, e.g. as part of the cathode, the bundling of the exiting electrons into an electron beam to force a localized impact surface on the anode.
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 teilweise (ca. 1 %) in Röntgenstrahlung umgesetzt. 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 partially converts the kinetic energy of the electrons (about 1%) into X-ray radiation.
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).
Für eine korrekte Funktion muss die gesamte Anordnung in einem Vakuumgehäuse (Vakuumhülle) untergebracht sein, in dem ein Druck von weniger als ca. 10–6 mbar (Hochvakuum) vorliegt. For correct operation, the entire assembly must be placed in a vacuum housing (vacuum envelope) with a pressure of less than about 10 -6 mbar (high vacuum).
Das Vakuum in der Röntgenröhre erfüllt einerseits den Zweck der Hochspannungsisolation, andererseits ist das Vakuum notwendig, um eine möglichst große freie Weglänge der Elektronen zu erzielen. Bei ungenügendem Vakuum kann im Vakuumgehäuse eine Ionisation der Restgase, z.B. Wasserstoff, auftreten. Die hierbei entstehenden Ionen haben wiederum einen Einfluss auf die Fokussierung des Elektronenstrahls, d.h. die Brennfleckgröße verändert sich unkontrolliert. Darüber hinaus kann der Wasserstoff zu einer Versprödung des Emittermaterials führen, wodurch sich die Lebensdauer verringert. The vacuum in the X-ray tube fulfills the one hand the purpose of high-voltage insulation, on the other hand, the vacuum is necessary to achieve the greatest possible free path of the electrons. If the vacuum is insufficient, ionization of the residual gases, e.g. Hydrogen, occur. The resulting ions in turn have an influence on the focusing of the electron beam, i. the focal spot size changes uncontrollably. In addition, the hydrogen can lead to embrittlement of the emitter material, which reduces the lifetime.
Das Hochvakuum der Röntgenröhre muss über die gesamte Lebensdauer der Röntgenröhre aufrecht erhalten werden. Da die Röntgenröhre verschlossen eingesetzt wird, ist im Betrieb kein aktives Abpumpen durch eine Evakuierungseinrichtung möglich. The high vacuum of the X-ray tube must be maintained throughout the life of the X-ray tube. Since the X-ray tube is used closed, no active pumping through an evacuation device is possible during operation.
Das Vakuumgehäuse besteht üblicherweise aus einem metallischen Werkstoff (z.B. rostfreien Stählen, Nickellegierungen, Kupfer) und/oder einem vakuumdichten Isolator, wie z.B. Glas oder Keramik. Das Vakuumgehäuse enthält weiterhin Komponenten (z.B. Strom-Zuführungen) aus einem vakuumdichten Isolator. Alle diese Materialien weisen eine werkstoffspezifische Permeation von Gasen auf, d.h. sie sind in Abhängigkeit der Gasart und der Umgebungsbedingung (z.B. Druck, Temperatur, Konzentration) gasdurchlässig. Der Gastransport erfolgt über die Teilprozesse Adsorption und Absorption sowie Diffusion und Desorption. The vacuum housing is usually made of a metallic material (e.g., stainless steels, nickel alloys, copper) and / or a vacuum-tight insulator such as stainless steel. Glass or ceramics. The vacuum housing further includes components (e.g., power supplies) from a vacuum-tight insulator. All of these materials exhibit material-specific permeation of gases, i. they are permeable to gas depending on the type of gas and the environmental condition (e.g., pressure, temperature, concentration). The gas transport takes place via the sub-processes adsorption and absorption as well as diffusion and desorption.
Die zur Nutzung bestimmte Röntgenstrahlung (Röntgennutzstrahlung) soll den Röntgenstrahler, in dem das Vakuumgehäuse angeordnet ist, möglichst ohne Verluste verlassen können. Dazu ist in das Gehäuse des Röntgenstrahlers ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster eingearbeitet. The X-ray radiation (X-ray radiation) intended for use should be able to leave the X-ray source, in which the vacuum housing is arranged, as far as possible without losses. For this purpose, an X-ray exit window is incorporated in the housing of the X-ray source.
Bei einem aus Metall gefertigten Vakuumgehäuse befindet sich im Austrittsbereich der Röntgennutzstrahlung aus der Röntgenröhre ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster aus einem möglichst röntgentransparenten Material. Bei der Drehkolben-Röntgenröhre vom Typ "Straton" von Siemens ist es bekannt, das Röntgenstrahlenaustrittsfenster durch eine gegenüber dem aus Stahl gefertigten Vakuumgehäuse geringere Wandstärke zu realisieren. Bei anderen Röntgenröhren ist das Röntgenstrahlenaustrittsfenster z.B. aus Titan, Aluminium oder Beryllium bzw. Legierungen hiervon. In the case of a vacuum housing made of metal, an X-ray exit window made of a material that is as X-ray transparent as possible is located in the exit area of the X-ray radiation from the X-ray tube. With the "Straton" rotary-piston X-ray tube from Siemens, it is known to realize the X-ray exit window by means of a smaller wall thickness than the vacuum housing made of steel. For other x-ray tubes, the x-ray exit window is e.g. titanium, aluminum or beryllium or alloys thereof.
Da nur ca. 1 % der kinetischen Energie der Elektronen beim Abbremsen im Anodenmaterial in Röntgenstrahlung umgewandelt wird, muss der Rest in Form von Wärme abgeführt werden. Das Vakuumgehäuse muss hierzu durch ein geeignetes Kühlmedium, das im Strahlergehäuse zirkuliert, gekühlt werden. Geeignete Kühlmedien sind z.B. Öl oder Wasser mit Frostschutzadditiven. Die Maximal-Temperatur im Kühlkreislauf der Röntgenröhre beträgt hierbei ca. 100ºC. Since only about 1% of the kinetic energy of the electrons is converted into X-radiation during deceleration in the anode material, the remainder must be dissipated in the form of heat. For this purpose, the vacuum housing must be cooled by means of a suitable cooling medium which circulates in the radiator housing. Suitable cooling media are e.g. Oil or water with antifreeze additives. The maximum temperature in the cooling circuit of the X-ray tube is approximately 100 ° C.
Röntgenstrahlen sind, wie alle ionisierenden Strahlen in der Lage, organische Verbindungen unter Bildung von Wasserstoff aufzuspalten (sogenannte "Radiolyse"). Darüber hinaus kann bei wässrigen Kühlmedien auch Korrosion zur Bildung von Wasserstoff im Kühlkreislauf führen. Das vom Kühlmedium umströmte Vakuumgehäuse kommt dadurch mit dem im Kühlmedium enthaltenen Wasserstoff in Kontakt, wobei der gebildete Wasserstoff sowohl in atomarer als auch in molekularer Form vorliegen kann. Like all ionizing radiation, X-rays are able to split organic compounds to form hydrogen (so-called "radiolysis"). In addition, in aqueous cooling media also corrosion can lead to the formation of hydrogen in the cooling circuit. The vacuum housing circulated by the cooling medium thereby comes into contact with the hydrogen contained in the cooling medium, wherein the hydrogen formed can be present both in atomic and in molecular form.
Wasserstoff ist das leichteste und kleinste chemische Element und hat aufgrund der guten interstitiellen Bewegungsmöglichkeit im Vergleich zu anderen Gasen einen hohen Diffusionskoeffizienten. Die Diffusion ist ein thermisch aktivierter Prozess und erfolgt über Leerstellen und/oder Zwischengitterplätze des die Wasserstoffatome bzw. die Wasserstoffmoleküle aufnehmenden Materials, wobei die Transportgeschwindigkeit exponentiell mit der Temperatur zunimmt. In der Röntgenröhre kann es daher durch die Diffusion von atomarem und molekularem Wasserstoff durch die Wand des Vakuumgehäuses zu nennenswerten Beiträgen von Wasserstoff im Hochvakuum kommen, was zu einer entsprechenden Verschlechterung der Vakuumqualität mit den damit verbundenen Nachteilen führt. Hydrogen is the lightest and smallest chemical element and has a high diffusion coefficient compared to other gases due to its good interstitial mobility. The diffusion is a thermally activated process and takes place via vacancies and / or interstitial sites of the material receiving the hydrogen atoms or the hydrogen molecules, the transport speed increasing exponentially with the temperature. Therefore, in the X-ray tube, the diffusion of atomic and molecular hydrogen through the wall of the vacuum housing can lead to significant contributions of hydrogen in a high vacuum, which leads to a corresponding deterioration of the vacuum quality with the associated disadvantages.
Um eine ausreichende Vakuumqualität im Vakuumgehäuse der Röntgenröhre zu gewährleisten, werden sämtliche Bauteile und Oberflächen vor dem Verschließen des Vakuumgehäuses bei hohen Temperaturen bestmöglich entgast. Darüber hinaus werden zur Aufnahme von in das Vakuumgehäuse eindiffundierenden Wasserstoffatomen bzw. -molekülen Gettermaterialien eingesetzt. Diese können Wasserstoff jedoch nicht dauerhaft binden. Die bisher eingesetzten Gettermaterialien können Wasserstoff lediglich physisorbtiv binden. Je nach Menge des Wasserstoffs und Höhe der Temperatur stellt sich ein Gleichgewicht zwischen gebundenem und freiem Wasserstoff im Vakuumgehäuse ein. Bei einer Temperaturerhöhung verschiebt sich das Gleichgewicht hin zu einem höheren Druck im Vakuumgehäuse. Das Problem der Wasserstoff-Diffusion in das Vakuumgehäuse ist mit der Verwendung von Gettern nicht befriedigend gelöst. In order to ensure a sufficient vacuum quality in the vacuum housing of the X-ray tube, all components and surfaces are degassed before closing the vacuum housing at high temperatures as possible. In addition, getter materials are used for receiving hydrogen atoms or molecules which diffuse into the vacuum housing. However, they can not bind hydrogen permanently. The getter materials used so far can bind hydrogen only physisorbtiv. Depending on the amount of hydrogen and the amount of temperature, a balance between bound and free hydrogen in the vacuum housing is established. As the temperature increases, the equilibrium shifts toward a higher pressure in the vacuum housing. The problem of hydrogen diffusion into the vacuum housing is not solved satisfactorily with the use of getters.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Röntgenröhre zu schaffen, die über die gesamte Lebensdauer eine hohe Vakuumqualität aufweist. Object of the present invention is to provide an X-ray tube, which has a high vacuum quality over the entire life.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Röntgenröhre gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Röntgenröhre sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen. The object is achieved by an X-ray tube according to claim 1. Advantageous embodiments of the X-ray tube according to the invention are the subject of further claims.
Die Röntgenröhre gemäß Anspruch 1 umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem wenigstens eine Kathode und wenigstens eine Anode angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist das Vakuumgehäuse zumindest teilweise eine Diffusionssperrschicht auf, wobei der Wasserstoff-Diffusionskoeffizient der Diffusionssperrschicht niedriger ist als der Wasserstoff-Diffusionskoeffizient des Materials, auf das die Diffusionssperrschicht aufgebracht ist. The x-ray tube according to claim 1 comprises a vacuum housing in which at least one cathode and at least one anode are arranged. According to the invention, the vacuum housing at least partially has a diffusion barrier layer, wherein the hydrogen diffusion coefficient of the diffusion barrier layer is lower than the hydrogen diffusion coefficient of the material to which the diffusion barrier layer is applied.
Für das Material der Diffusionssperrschicht wird erfindungsgemäß auf den Diffusionskoeffizienten von Wasserstoff (Wasserstoff-Diffusionskoeffizient) als leichtestes und kleinstes chemisches Element mit einer guten interstitiellen Bewegungsmöglichkeit abgestellt. For the material of the diffusion barrier layer, according to the invention, the diffusion coefficient of hydrogen (hydrogen diffusion coefficient) is used as the lightest and smallest chemical element with a good interstitial mobility.
In der nachfolgenden Tabelle sind beispielhaft die Wasserstoff-Diffusionskoeffizienten D in Eisen (Fe) und in Aluminiumoxid sowie in 304L-Stahl (nichtrostender austenitischer Chromstahl, Werkstoffnummer 1.4306) angegeben.
Die Werte für Al2O3 sind aus der Veröffentlichung
Die Werte für 304-Stahl sind aus der Veröffentlichung
Die Diffusionskoeffizienten größerer chemischer Elemente bzw. größerer Moleküle sind entsprechend geringer. The diffusion coefficients of larger chemical elements or larger molecules are correspondingly lower.
Durch die Erfindung wird eine Diffusion von atomarem Wasserstoff und/oder molekularem Wasserstoff durch das Vakuumgehäuse wesentlich verringert. Dadurch wird nicht nur die Permeation von Wasserstoff, sondern auch eine Permeation schwererer und größerer chemischer Elemente/Moleküle mit einer schlechteren interstitiellen Bewegungsmöglichkeit zuverlässig verhindert. Da keine Permeation in das Vakuumgehäuse stattfindet, bleibt das dort herrschende Hochvakuum erhalten. The invention substantially reduces diffusion of atomic hydrogen and / or molecular hydrogen through the vacuum housing. This reliably prevents not only permeation of hydrogen, but also permeation of heavier and larger chemical elements / molecules with poorer interstitial mobility. Since no permeation takes place in the vacuum housing, the prevailing high vacuum is maintained.
Die erfindungsgemäße Röntgenröhre besitzt über ihre gesamt Lebensdauer eine höhere Vakuumgüte, wodurch während des Betriebs der Röntgenröhre deutlich weniger Störungen auftreten. Gleichzeitig verkürzen sich die Aufwärmzeiten einer derartigen Röntgenröhre. The X-ray tube according to the invention has a higher quality of vacuum over its entire service life, whereby significantly fewer disturbances occur during operation of the X-ray tube. At the same time, the warm-up times of such an X-ray tube are shortened.
Darüber hinaus weist die Röntgenröhre nach Anspruch 1 aufgrund ihrer hohen, insbesondere über die gesamte Lebensdauer des Vakuumgehäuses konstanten Vakuumqualität eine entsprechend konstante Brennfleck-Charakteristik auf. In addition, the x-ray tube according to claim 1 due to their high, in particular over the entire life of the vacuum housing constant vacuum quality on a correspondingly constant focal spot characteristic.
Weiterhin verringert sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme die Wasserstoff-Versprödung der vakuumtragenden Röhrenbauteile, also der Röhrenbauteile, die für die Aufrechterhaltung des Vakuums verantwortlich sind. Damit reduzieren sich die daraus resultierenden Ausfälle entsprechend. Furthermore, the measure according to the invention reduces the hydrogen embrittlement of the vacuum-carrying tube components, ie the tube components which are responsible for the maintenance of the vacuum. This reduces the resulting losses accordingly.
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, die Diffusionssperrschicht auf alle vakuumtragenden Bauteile der Röntgenröhre aufzubringen. Within the scope of the invention, it is possible to apply the diffusion barrier layer to all vacuum-carrying components of the x-ray tube.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Röntgenröhre ist dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht auf einer Außenfläche des Vakuumgehäuses aufgebracht (Anspruch 2). Dies erlaubt in vorteilhafter Weise die Diffusionssperrschicht nachträglich an einem fertig prozessierten Vakuumgehäuse bzw. einer fertig prozessierten Röntgenröhre aufzubringen. A particularly preferred embodiment of the x-ray tube is characterized in that the diffusion barrier layer applied to an outer surface of the vacuum housing (claim 2). This advantageously makes it possible subsequently to apply the diffusion barrier layer to a completely processed vacuum housing or to a ready-processed x-ray tube.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Diffusionssperrschicht auf einer Innenfläche des Vakuumgehäuses aufgebracht (Anspruch 3 in Verbindung mit Anspruch 1). According to a further advantageous embodiment, the diffusion barrier layer is applied to an inner surface of the vacuum housing (claim 3 in conjunction with claim 1).
Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Röntgenröhre weisen sowohl die Außenfläche als auch die Innenfläche des Vakuumgehäuses jeweils eine Diffusionssperrschicht auf (Anspruch 3 in Verbindung mit Anspruch 2). In a likewise preferred embodiment of the x-ray tube, both the outer surface and the inner surface of the vacuum housing each have a diffusion barrier layer (claim 3 in conjunction with claim 2).
Die Diffusionssperrschicht muss bei den vorgenannten Varianten nicht notwendigerweise vollständig auf der Außenfläche und/oder auf der Innenfläche des Vakuumgehäuses aufgebracht sein. Auch eine nur teilweise Aufbringung von Diffusionssperrschichten kann im Einzelfall zu einer Verbesserung der Vakuumqualität im Vakuumgehäuse der erfindungsgemäßen Röntgenröhre führen. In the aforementioned variants, the diffusion barrier layer does not necessarily have to be applied completely to the outer surface and / or on the inner surface of the vacuum housing. Even a partial application of diffusion barrier layers can lead in individual cases to an improvement in the vacuum quality in the vacuum housing of the X-ray tube according to the invention.
Im Rahmen der Erfindung können auf der Außenfläche und/oder auf der Innenfläche des Vakuumgehäuses Diffusionssperrschichten aufgebracht sein, die hinsichtlich Material und/oder Schichtdicke unterschiedlich sind. In the context of the invention, diffusion barrier layers can be applied to the outer surface and / or on the inner surface of the vacuum housing, which are different in terms of material and / or layer thickness.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weisen das Strahlenaustrittsfenster (Anspruch 4) und/oder eine im Vakuumgehäuse angeordnete Durchführung jeweils eine Diffusionssperrschicht auf (Anspruch 5). In further preferred embodiments, the beam exit window (claim 4) and / or arranged in a vacuum housing implementation each have a diffusion barrier layer (claim 5).
Die Schichtdicke der Diffusionssperrschicht ist abhängig von dem Material des Vakuumgehäuses und vom Material der Diffusionssperrschicht, die den Wasserstoff-Diffusionskoeffizienten bestimmt. Vorzugsweise weist die Diffusionssperrschicht eine Schichtdicke von maximal ca. 10 µm auf (Anspruch 6). Eine besonders bevorzugte Schichtdicke ist kleiner als 5 µm. The layer thickness of the diffusion barrier layer is dependent on the material of the vacuum housing and the material of the diffusion barrier layer, which determines the hydrogen diffusion coefficient. Preferably, the diffusion barrier layer has a layer thickness of at most about 10 .mu.m (claim 6). A particularly preferred layer thickness is less than 5 μm.
Bei der Diffusionssperrschicht kann es sich beispielsweise um ein Metall (Anspruch 7) oder um eine Metall-Legierung (Anspruch 8) handeln. Metalle, die hierfür infrage kommen, sind z.B. Gold (Au), Silber (Ag) oder Kupfer (Cu). Für die Diffusionssperrschicht ist im Rahmen der Erfindung auch eine Kombination aus diversen Metallen und/oder einer Keramik möglich. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung (Anspruch 9) besteht die Diffusionssperrschicht aus einem Metalloxid, z.B. Aluminiumoxid (Al2O3). The diffusion barrier layer may be, for example, a metal (claim 7) or a metal alloy (claim 8). Metals which are suitable for this purpose are, for example, gold (Au), silver (Ag) or copper (Cu). For the diffusion barrier layer, a combination of various metals and / or a ceramic is possible within the scope of the invention. According to a further embodiment (claim 9), the diffusion barrier layer consists of a metal oxide, for example aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
Für das Aufbringen der Diffusionssperrschicht ist eine Vielzahl von Fertigungsprozessen geeignet. For the application of the diffusion barrier layer, a variety of manufacturing processes is suitable.
Die Diffusionssperrschicht kann z.B. in einem Dünnschichtverfahren (Schichtdicken bis zu etwa 10 µm) aufgebracht werden (Anspruch 10). Zu den Dünnschichtverfahren zählen die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD, Physical Vapour Deposition) und die chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical Vapor Deposition). The diffusion barrier layer can be applied, for example, in a thin-layer process (layer thicknesses of up to about 10 μm) (claim 10). Thin-film processes include Physical Vapor Deposition (PVD) and Chemical Vapor Deposition (CVD).
Gemäß weiterer Alternativen kann die Diffusionssperrschicht chemisch (Anspruch 11) oder elektrochemisch, z.B. galvanisch, aufgebracht werden(Anspruch 12). According to other alternatives, the diffusion barrier layer may be chemically (claim 11) or electrochemically, e.g. galvanically applied (claim 12).
Bei einer weiteren vorteilhaften Alternative ist die Diffusionssperrschicht durch ein thermisches Beschichtungsverfahren aufgebracht (Anspruch 13). Die thermische Beschichtung kann z.B. durch Metallschmelztauchverfahren, thermisches Spritzen, Plattieren, Auftragsschweißen oder Auftragslöten erfolgen. In a further advantageous alternative, the diffusion barrier layer is applied by a thermal coating method (claim 13). The thermal coating may e.g. by molten metal dipping, thermal spraying, plating, build-up welding or job soldering.
Eine besonders dünne Schichtdicke der Diffusionssperrschicht erhält man durch eine Grenzschichtumwandlung (Randschichtumwandlung) im Material, aus dem das Vakuumgehäuse gefertigt ist (Anspruch 14). Derartige Umwandlungen finden bei thermischen Verfahren (z.B. Laserbeschichten) oder bei thermochemischen Verfahren (z.B. Chromieren, Borieren, Silizieren, Carbonitrieren) oder bei Implantationsverfahren (Einbau von kleineren Atomen bzw. Ionen in die Gitterstruktur des Materials, aus dem das Vakuumgehäuse besteht). A particularly thin layer thickness of the diffusion barrier layer is obtained by a boundary layer conversion (surface layer conversion) in the material from which the vacuum housing is made (claim 14). Such transformations occur in thermal processes (e.g., laser stratification) or in thermochemical processes (e.g., chrome plating, boriding, siliciding, carbonitriding) or implantation processes (incorporation of smaller atoms or ions into the lattice structure of the material constituting the vacuum housing).
Weitere Möglichkeiten, eine Diffusionssperrschicht aufzubringen sind anorganische Überzüge (z.B. Emaillierung) oder organische Überzüge (Anstriche) auf der Außenfläche und/oder auf der Innenfläche der vakuumtragenden Bauteile der Röntgenröhre. Diffusionssperrschichten aus Oxiden (z.B. Si02-Siliziumdioxid) oder Al203-Aluminiumoxid) oder aus Carbiden (z.B SiC Siliciumcarbid) sind ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisierbar. Auch Nitride (z.B. BN-Bornitrid) sind als Materialien für Diffusionssperrschichten geeignet. Further possibilities for applying a diffusion barrier layer are inorganic coatings (eg enamelling) or organic coatings (paints) on the outer surface and / or on the inner surface of the vacuum-carrying components of the X-ray tube. Diffusion barrier layers of oxides (eg Si0 2 -Siliziumdioxid) or Al 2 0 3 -Aluminiumoxid) or of carbides (eg SiC silicon carbide) are also feasible in the context of the present invention. Nitrides (eg BN boron nitride) are also suitable as materials for diffusion barrier layers.
Bei allen beschriebenen Fertigungsprozessen handelt es sich um eine Behandlung des Grundwerkstoffs, aus dem das Vakuumgehäuse gefertigt ist wobei entweder der Grundwerkstoff (z.B. Stahl) zuerst zum Vakuumgehäuse geformt wird und dann die Behandlung des Grundwerkstoffs erfolgt. Es ist jedoch auch möglich, den Grundwerkstoff zuerst zu behandeln und dann aus dem behandelten Grundwerkstoff das Vakuumgehäuse zu formen. All of the described manufacturing processes are a treatment of the base material from which the vacuum housing is made, either with the base material (e.g., steel) being first formed into the vacuum housing, and then with the base material being treated. However, it is also possible to treat the base material first and then to form from the treated base material, the vacuum housing.
Die erfindungsgemäße Reduzierung der Diffusion von Wasserstoff und anderer (schwererer) chemischer Elemente bzw. Moleküle wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. The reduction according to the invention of the diffusion of hydrogen and other (heavier) chemical elements or molecules is explained below by means of an exemplary embodiment, but without being limited thereto.
Bei einem Vakuumgehäuse aus Stahl (Fe, Eisen) und einer Kühlmittel-Temperatur von ca. 100ºC beträgt der Wasserstoff-Diffusionskoeffizient ca. 124·10–13 m2s–1. With a steel (Fe, iron) vacuum housing and a coolant temperature of about 100 ° C, the hydrogen diffusion coefficient is about 124 x 10 -13 m 2 s -1 .
Ist eine Reduzierung der Wasserstoff-Diffusion um 50 % gewünscht, dann muss entweder die Wandstärke verdoppelt werden oder es muss eine Diffusionssperrschicht mit einem entsprechend geringen Wasserstoff-Diffusionskoeffizienten aufgebracht werden. If it is desired to reduce the hydrogen diffusion by 50%, then either the wall thickness must be doubled or a diffusion barrier layer with a correspondingly low hydrogen diffusion coefficient must be applied.
Besitzt das Vakuumgehäuse eine Wandstärke von beispielsweise 1 mm, dann müsste – falls keine Diffusionssperrschicht aufgebracht wird – für eine Reduzierung der Wasserstoff-Diffusion um 50 % die Wandstärke auf 2 mm erhöht werden. Dies ist aus mehreren Gründen, z.B. komplexere Fertigung und höheres Gewicht, unerwünscht bzw. nur begrenzt realisierbar. If the vacuum housing has a wall thickness of, for example, 1 mm, then, if no diffusion barrier layer is applied, the wall thickness would have to be increased to 2 mm to reduce the hydrogen diffusion by 50%. This is for several reasons, e.g. more complex production and higher weight, undesirable or only limited feasible.
Durch eine Beschichtung des aus Stahl gefertigten Vakuumgehäuses (Außen- und/oder Innenfläche) mit einer 10 µm dicken Diffusionssperrschicht, die gegenüber Stahl einen um den Faktor 100 verringerten Wasserstoff-Diffusionskoeffizienten aufweist (D ≈ 1,24·10–13 m2s–1) wird die Wasserstoff-Diffusion ebenfalls um 50 % reduziert, ohne jedoch das Gewicht und/oder die Schichtdicke in einem relevanten Umfang zu erhöhen. Auch eine weitere Erhöhung der Schichtdicke der Diffusionssperrschicht in der vorgenannten Größenordnung ist ohne Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Vakuumhülle möglich. By coating the vacuum housing made of steel (outer and / or inner surface) with a 10 μm thick diffusion barrier layer, which has a hydrogen diffusion coefficient reduced by a factor of 100 compared with steel (D≈1.24 · 10 -13 m 2 s ). 1 ), the hydrogen diffusion is also reduced by 50% without, however, increasing the weight and / or layer thickness to a relevant extent. A further increase in the layer thickness of the diffusion barrier layer in the aforementioned order of magnitude is possible without deterioration of the mechanical properties of the vacuum envelope.
Obwohl die Erfindung im Detail durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist, ist die Erfindung nicht durch das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Vielmehr können vom Fachmann hieraus auch andere Varianten der erfindungsgemäßen Lösung abgeleitet werden, ohne hierbei den zugrunde liegenden Erfindungsgedanken zu verlassen. Although the invention is described in detail by a preferred embodiment, the invention is not limited by the embodiment described above. On the contrary, other variants of the solution according to the invention can be derived by the person skilled in the art without departing from the underlying concept of the invention.
Wie aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiel ersichtlich ist, wird durch die die im Anspruch 1 definierte Maßnahme, die Wasserstoff-Diffusion sehr stark reduziert und dadurch die Wasserstoff-Permeation in das Vakuumgehäuse stark herabgesetzt oder sogar vollständig unterbunden. Aufgrund der vielfältigen Variationsmöglichkeiten ist für jede Anwendung eine geeignete Kombination von Material und Schichtdicke für die benötigte Diffusionssperrschicht verfügbar, wobei hinsichtlich der bei den vakuumtragenden Bauteilen zu beschichtenden Flächen ebenfalls viele Freiheitsgrade zur Verfügung stehen. As can be seen from the description of the embodiment, by the measure defined in claim 1, the hydrogen diffusion is greatly reduced and thereby the hydrogen permeation in the vacuum housing greatly reduced or even completely prevented. Due to the wide range of possible variations, a suitable combination of material and layer thickness for the required diffusion barrier layer is available for each application, and many degrees of freedom are also available with regard to the surfaces to be coated in the vacuum-bearing components.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- "Firstprinciples study of hydrogen diffusion in α-Al2O3 and liquid alumina" von A. B. Belonoshko, A. Rosengren, Q. Dong, G. Hultquist, und C. Leygraf in "Phys. Rev. B" 69, 024302 (2004) [0020] "First principles of hydrogen diffusion in α-Al 2 O 3 and liquid alumina" by AB Belonoshko, A. Rosengren, Q. Dong, G. Hultquist, and C. Leygraf in "Phys. Rev. B" 69, 024302 (2004) [0020 ]
- "Hydrogen in 304 steel: Diffusion, permeation and surface reaction" von D.M. Grant, D.L. Cummings, und D.A. Blackburn in "Journal of Nuclear Materials", Volume 149 (1987), Seiten 180–191 [0021] "Hydrogen in 304 steel: Diffusion, Permeation and Surface Reaction" by DM Grant, DL Cummings, and DA Blackburn in "Journal of Nuclear Materials", Volume 149 (1987), pp. 180-191 [0021]
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE201210213158 DE102012213158A1 (en) | 2012-07-26 | 2012-07-26 | X-ray tube has diffusion barrier layer whose hydrogen diffusion coefficient is lower than hydrogen diffusion coefficient of vacuum housing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE201210213158 DE102012213158A1 (en) | 2012-07-26 | 2012-07-26 | X-ray tube has diffusion barrier layer whose hydrogen diffusion coefficient is lower than hydrogen diffusion coefficient of vacuum housing |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102012213158A1 true DE102012213158A1 (en) | 2013-05-02 |
Family
ID=48084527
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE201210213158 Ceased DE102012213158A1 (en) | 2012-07-26 | 2012-07-26 | X-ray tube has diffusion barrier layer whose hydrogen diffusion coefficient is lower than hydrogen diffusion coefficient of vacuum housing |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102012213158A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013210967A1 (en) * | 2013-06-12 | 2014-12-18 | Siemens Aktiengesellschaft | X-ray |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10036210A1 (en) * | 2000-07-25 | 2001-11-15 | Siemens Ag | Rotary x-ray tube includes vacuum casing with section constructed of aluminum or aluminum alloy |
| DE102008032995A1 (en) * | 2008-07-14 | 2010-01-21 | Siemens Aktiengesellschaft | X-ray tube, has vacuum housing in which cathode and anode are arranged, where housing has inner wall that partially exhibits inertization, anode partially exhibits inertization and inertization comprises barrier layers |
-
2012
- 2012-07-26 DE DE201210213158 patent/DE102012213158A1/en not_active Ceased
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10036210A1 (en) * | 2000-07-25 | 2001-11-15 | Siemens Ag | Rotary x-ray tube includes vacuum casing with section constructed of aluminum or aluminum alloy |
| DE102008032995A1 (en) * | 2008-07-14 | 2010-01-21 | Siemens Aktiengesellschaft | X-ray tube, has vacuum housing in which cathode and anode are arranged, where housing has inner wall that partially exhibits inertization, anode partially exhibits inertization and inertization comprises barrier layers |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| "Firstprinciples study of hydrogen diffusion in alpha-Al2O3 and liquid alumina" von A. B. Belonoshko, A. Rosengren, Q. Dong, G. Hultquist, und C. Leygraf in "Phys. Rev. B" 69, 024302 (2004) |
| "Hydrogen in 304 steel: Diffusion, permeation and surface reaction" von D.M. Grant, D.L. Cummings, und D.A. Blackburn in "Journal of Nuclear Materials", Volume 149 (1987), Seiten 180-191 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013210967A1 (en) * | 2013-06-12 | 2014-12-18 | Siemens Aktiengesellschaft | X-ray |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE10120335C2 (en) | Ion mobility spectrometer with non-radioactive ion source | |
| DE3303529C2 (en) | ||
| DE2610993A1 (en) | X-RAY ANODE AND METHOD FOR MANUFACTURING IT. | |
| EP3688200B1 (en) | Molybdenum sintered part and method of manufacturing | |
| DE102013112532A1 (en) | Radiation absorber for absorbing electromagnetic radiation, solar absorber arrangement, and method for producing a radiation absorber | |
| AT14991U1 (en) | X-ray anode | |
| DE102013103668A1 (en) | Arrangement for handling a liquid metal for cooling circulating components of a radiation source based on a radiation-emitting plasma | |
| DE102012213158A1 (en) | X-ray tube has diffusion barrier layer whose hydrogen diffusion coefficient is lower than hydrogen diffusion coefficient of vacuum housing | |
| EP1775752A2 (en) | Etching process for manufacturing an electron exit window | |
| DE102013213268A1 (en) | Built hollow valve | |
| AT394642B (en) | X-RAY TUBE ANODE WITH OXIDE COATING | |
| DE1207515B (en) | Rotary anode for X-ray tubes with a coating outside the ring-shaped focal point and a method for producing the coating | |
| EP1133579B1 (en) | Method for producing of a protective layer on a martensitic steel and utilisation of said steel coated with said protective layer | |
| DE102009023472A1 (en) | Coating plant and coating process | |
| DE3602104A1 (en) | Slide or friction element with functional part of ceramic material and process for its production | |
| DE1050457B (en) | X-ray tube with preferably rotating the high-temperature-resistant anode | |
| DE1283403B (en) | Indirectly heated storage cathode for electrical discharge vessels | |
| DE102015210681B4 (en) | Device for generating bremsstrahlung | |
| DE102013210967A1 (en) | X-ray | |
| DE10320700A1 (en) | Vacuum housing for x-ray tube esp. rotating anode tube having a protective layer made of a material which compensates for thermal shock wear effect on the tube material | |
| DE102008014897A1 (en) | X-ray tube for use in industrial fine focus and micro-focus computer tomography, has transmission anode and X-ray discharge window, where transmission anode is arranged at X-ray discharge window | |
| DE10023356C2 (en) | electron tube | |
| WO2017059467A1 (en) | Component of a metal processing machine | |
| DE102006043436B3 (en) | Process to protect an alloy of titanium and aluminum from oxidation by implantation of fluorine and silicon | |
| DE10128245A1 (en) | Heat sink with increased performance and process for its manufacture |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R230 | Request for early publication | ||
| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20140122 |