DE102013101904A1

DE102013101904A1 - Dem Benetzen entgegenwirkender Überzug für Flüssigmetalllager und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102013101904A1
Application number: DE102013101904A
Authority: DE
Inventors: Donald Robert Allen; Michael John Danyluk
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2013-09-12
Also published as: US8855270B2; JP6100560B2; US20130235978A1; JP2013187192A

Abstract

Eine Röntgenöhre weist ein Gefäß, das ein hohes Vakuum einschließt, eine innerhalb des Gefäßes angeordnete Kathode, eine Lagerbaueinheit, eine stationäre Komponente, die aus einem ersten Grundsubstrat zusammengesetzt ist, wobei das erste Grundsubstrat eine erste Oberfläche aufweist, eine rotierbare Komponente, die aus einem zweiten Grundsubstrat zusammengesetzt ist, wobei das zweite Grundsubstrat eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die rotierbare Komponente nahe der stationären Komponente derart angeordnet ist, dass ein Spalt zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche gebildet ist, ein flüssiges Metall, das innerhalb des Spaltes angeordnet ist, und einen dem Benetzen entgegenwirkenden Überzug auf, der an mindestens einer der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche haftet, wobei der Überzug Titannitrid einschließt, das an der mindestens einen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche haftet, und ein Oxid aus Titan, das an dem Titannitrid haftet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Röntgenröhren und spezieller auf einen dem Benetzen entgegenwirkenden Überzug für ein Flüssigmetalllager in einer Röntgenröhre und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Röntgensysteme schließen typischerweise eine Röntgenröhre, einen Detektor und eine Lagerbaueinheit ein, um die Röntgenröhre und den Detektor zu tragen. Im Betrieb ist ein Abbildungstisch, auf dem ein Objekt positioniert ist, zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor angeordnet. Die Röntgenröhre emittiert typischerweise Strahlung, wie Röntgenstrahlen, zu dem Objekt hin. Die Strahlung geht typischerweise durch das auf dem Abbildungstisch befindliche Objekt hindurch und trifft auf den Detektor. Während Strahlung durch das Objekt hindurchgeht, verursachen interne Strukturen des Objektes räumliche Variationen in der am Detektor empfangenen Strahlung. Der Detektor emittiert dann empfangene Daten und das System übersetzt die Strahlungsvariationen in ein Bild, das zum Bewerten der internen Struktur des Objektes benutzt werden kann. Der Fachmann wird erkennen, dass das Objekt, ohne darauf beschränkt zu sein, einen Patienten in einem medizinischen Abbildungsverfahren oder ein unbelebtes Objekt einschließen kann, wie z.B. eine Verpackung in einem Scanner für Computertomografie (CT) von Packungen.
Röntgenröhren schließen eine rotierende Anodenstruktur zum Verteilen der an einem Brennpunkt erzeugten Wärme ein. Die Anode wird typischerweise durch einen Induktionsmotor gedreht, der einen zylindrischen Rotor aufweist, der in eine frei tragende Achse eingebaut ist, die ein scheibenförmiges Anodentarget und eine Eisenstatorstruktur mit Kupferwicklungen trägt, die einen langgestreckten Hals der Röntgenröhre umgibt. Der Rotor der rotierenden Anodenbaueinheit wird durch den Stator angetrieben. Eine Röntgenröhrenkathode liefert einen fokussierten Elektronenstrahl, der über einen Vakuumspalt von der Kathode zur Anode beschleunigt wird und beim Aufprall auf der Anode Röntgenstrahlen erzeugt. Wegen der hohen Temperaturen, die beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf dem Target erzeugt werden, ist es typischerweise notwendig, die Anodenbaueinheit mit einer hohen Rotationsgeschwindigkeit rotieren zu lassen. Dies stellt strenge Anforderungen an die Lagerbaueinheit, die typischerweise Werkzeugstahl-Kugellager und Werkzeugstahl-Laufbahnen einschließt, die innerhalb der Vakuumregion positioniert sind und daher eine Schmierung durch ein festes Schmiermittel, wie Silber, erfordern. Der Abrieb des Silbers und dessen Verlust aus der Lagerkontaktregion erhöht das akustische Geräusch und verlangsamt den Rotor während des Betriebes.
Die Betriebsbedingungen von Röntgenröhren neuerer Generation wurden außerdem zunehmend aggressiv hinsichtlich mechanischer Spannungen infolge der G-Kräfte, die durch höhere Gerüstgeschwindigkeiten und höhere Anodenlauf-Geschwindigkeiten wirken. Dadurch werden Lagerlösungen gesucht, die unter den strengeren Betriebsbedingungen eine verbesserte Leistungsfähigkeit erbringen.
Anstelle von Kugellagern kann ein Flüssigmetalllager (d.h. ein Spirallaufrillenlager oder SGB) genutzt werden. Vorteile von Flüssigmetalllagern schließen eine hohe Lastfähigkeit und, aufgrund der verglichen mit einem Kugellager vergrößerten Kontaktfläche, eine hohe Wärmeübertragungsfähigkeit ein. Zu den Vorteilen kann auch ein Betrieb bei geringem akustischem Geräusch gehören. Als flüssiges Metall werden typischerweise Gallium-, Indium- oder Zinnlegierungen genutzt, da sie bei Raumtemperatur flüssig sind und bei Betriebstemperaturen einen angemessen geringen Dampfdruck aufweisen, um die rigorosen Hochvakuumanforderungen einer Röntgenröhre zu erfüllen.
Flüssigmetalllager werden typischerweise mit einem schmalen Spalt bis zu wenigen 100 µm hergestellt, der zwischen stationären Komponenten und rotierenden Komponenten gebildet ist. Das flüssige Metall ist in dem schmalen Spalt angeordnet und verhindert das Auftreten eines direkten Kontaktes von Metall zu Metall. Flüssige Metalle, die typischerweise in einem SGB eingesetzt werden, sind sehr reaktionsfähig und korrosiv. Das flüssige Metall eines SGB kann mit einem Grundmetall reagieren, mit dem es in Kontakt steht, und so das flüssige Metall verbrauchen und die Lebensdauer des SGB verkürzen. Das flüssige Metall neigt auch zur Wanderung innerhalb des Lagers und kann leicht von seiner Betriebsstelle in den schmalen Spalt wandern. Ist die Wanderung des flüssigen Metalls uneingeschränkt, dann kann das SGB an flüssigem Metall verarmen, was zu einem Kontakt von Metall zu Metall zwischen rotierenden und stationären Komponenten führen kann, was ein frühes Versagen verursacht.
Als solches weist ein SGB typischerweise einen dem Benetzen entgegenwirkenden Überzug auf, der auf Komponenten angeordnet ist, um die Wanderung von flüssigem Metall innerhalb des SGB zu vermeiden. Der dem Benetzen entgegenwirkende Überzug ist typischerweise eine Struktur oder Verbindung, die das flüssige Metall abstößt und das Kriechen und Wandern des flüssigen Metalls verhindert. Der dem Benetzen entgegenwirkende Überzug verhindert so die Wanderung von der Stelle innerhalb des SGB, wo es zum Aufrechterhalten einer Trennung zwischen den stationären und rotierenden Komponenten dient. Bekannte, dem Benetzen entgegenwirkende Überzüge schließen Ti_xO_y und Al₂O₃ ein, die stabilere Verbindungen sind als die flüssigen Metalle, die typischerweise in einem SGB eingesetzt werden, und sie neigen daher nicht zu einer Verschlechterung aufgrund eines Kontaktes mit dem flüssigen Metall. Ti_xO_y und Al₂O₃ sind jedoch relativ weiche Materialien, die während der Verarbeitung beschädigt werden können. Tritt eine Beschädigung in dem Überzug auf, dann werden die Teile typischerweise noch einmal bearbeitet, was dem Herstellungsverfahren Kosten und Dauer hinzufügt. Wird die Beschädigung nicht festgestellt, dann kann dies zu einem frühen Versagen des Lagers führen.
Ein anderer bekannter, dem Benetzen entgegenwirkender Überzug schließt TiN ein, das eine signifikant größer Härte hat als z.B. Ti_xO_y. Die Mohshärte von TiN beträgt etwa 9, während die von Ti_xO_y etwa 5–6 ist. Als solches kann TiN einen wirksamen, dem Benetzen entgegenwirkenden Überzug bereitstellen, der auch kratzbeständig und robust ist. TiN neigt jedoch bei erhöhter Temperatur, wie oberhalb 500°C, zur Oxidation. Diese Oxidation kann selbst während des Glühens in trockenem Wasserstoff auftreten, wenn der Taupunkt nicht genügend gering ist. Flüchtiges Ga₂O, das von dem Lager abgegeben wird, hat, wie gezeigt wurde, auch die Oxidation von mit TiN überzogenen Oberflächen verursacht. Die Umwandlung von TiN in Ti_xO_y kann zu einem Material auf der Oberfläche des TiN führen, das verminderte Härte und einen Abfall in der Kratzbeständigkeit aufweist. Obwohl TiN wegen seiner großen Härte als ein dem Benetzen entgegenwirkender Überzug ausgewählt werden kann, kann ein solcher Nutzen verloren gehen, wenn während der Verarbeitung die Oxidation des TiN auftritt.
Es wäre daher erwünscht, eine Röntgenröhre mit einem SGB zu schaffen, das einen robusten Überzug hoher Härte aufweist, der nicht für Oxidation empfindlich ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Verbessern einer Röntgenröhre mit einem SGB-Lager, das die vorgenannten Nachteile überwindet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung schließt eine Röntgenröhre ein ein hohes Vakuum einschließendes Gefäß, eine innerhalb der Umhüllung angeordnete Kathode, eine Lagerbaueinheit, eine stationäre Komponente, die aus einem ersten Grundsubstrat zusammengesetzt ist, wobei das erste Grundsubstrat eine erste Oberfläche aufweist, eine rotierbare Komponente, die aus einem zweiten Grundsubstrat zusammengesetzt ist, wobei das zweite Grundsubstrat eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die rotierbare Komponente nahe der stationären Komponente derart angeordnet ist, dass ein Spalt zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche gebildet ist, ein flüssiges Metall, das innerhalb des Spaltes angeordnet ist, und einen dem Benetzen entgegenwirkenden Überzug ein, der an mindestens einer der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angebracht ist, wobei der Überzug Titannitrid, das an mindestens einer der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angebracht ist, und ein Oxid des Titans einschließt, das an dem Titannitrid angebracht ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung schließt ein Verfahren zum Bilden eines, dem Benetzen entgegenwirkenden Überzuges auf einer Komponente eines Spirallaufrillenlagers, des Abscheiden von Titannitrid auf der Komponente und das Abscheiden von Titanoxid auf der Komponente ein, nachdem das Titannitrid auf der Komponente abgeschieden worden ist.
Noch ein anderer Aspekt der Erfindung schließt ein Spirallaufrillenlager (SGB) ein, das eine stationäre Komponente und eine rotierbare Komponente einschließt, die jeweils ein entsprechendes Grundsubstrat und jeweils eine Schicht aufweisen, die aus einer äußeren Oberflächenschicht aus Titanoxid und Titannitrid zusammengesetzt ist, das zwischen einer Oberfläche jedes Grundsubstrates und jeder entsprechenden äußeren Schicht von Titanoxid angeordnet ist, wobei ein Spalt zwischen der stationären Komponente und der rotierbaren Komponente gebildet ist und ein flüssiges Metall in dem Spalt angeordnet ist, wobei das flüssige Metall eines von Gallium und einer Galliumlegierung umfasst.
Verschiedene andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und der Zeichnung deutlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DERZEICHNUNG
Die Zeichnung veranschaulicht bevorzugte Ausführungsformen, die derzeit zur Ausführung der Erfindung vorgesehen sind.
In der Zeichnung:
ist 1 ein Blockdiagramm eines Abbildungssystems, das von der Einbeziehung einer Ausführungsform der Erfindung profitieren kann.
2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Röntgenröhre gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 veranschaulicht einen Überzug, der mindestens eine Schicht aus Titanoxid auf einem Grundsubstrat und eine Schicht aus Titannitrid auf der Schicht aus Titanoxid gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einschließt.
4 veranschaulicht Stufen in einem Überzugsverfahren zum Aufbringen des in 3 gezeigten Überzuges.
5 ist eine Bildansicht eines Röntgensystems zum Gebrauch bei einem nicht invasiven Verpackungs-Inspektionssystem, das Ausführungsformen der Erfindung einbezieht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Röntgenstrahl-Abbildungssystems 2, das sowohl zum Erfassen ursprünglicher Bilddaten als auch zum Verarbeiten der Bilddaten zur Anzeige und/oder Analyse gemäß der Erfindung entworfen ist. Der Fachmann wird erkennen, dass die Erfindung auf zahlreiche medizinischen Abbildungssystemen anwendbar ist, die eine Röntgenröhre verwirklichen, wie Röntgen- oder Mammografie-Systeme. Andere Abbildungssysteme, wie Computertomografie(CT)-Systeme und digitale Radiografie(RAD)-Systeme, die dreidimensionale Bilddaten für ein Volumen erfassen, profitieren auch von der Erfindung. Die folgende Diskussion des Abbildungssystems 2 ist nur ein Beispiel einer solchen Verwirklichung und soll die Modalitätsbegriffe nicht beschränken.
Wie in 1 gezeigt, schließt das Abbildungssystem 2 eine Röntgenröhre oder -quelle 4 ein, die konfiguriert ist, einen Strahl von Röntgenstrahlen 6 durch ein Objekt 8 zu projizieren. Das Objekt 8 kann einen Menschen, Gepäckstücke oder andere Objekte einschließen, die man scannen möchte. Die Röntgenquelle 4 kann eine konventionelle Röntgenröhre sein, die Röntgenstrahlen erzeugt, die ein Spektrum von Energien aufweisen, die typischerweise im Bereich von 30 keV bis 200 keV liegen. Die Röntgenstrahlen 6 gehen durch das Objekt 8 hindurch und sie treffen, nachdem sie durch das Objekt geschwächt worden sind, auf einem Detektor 10 auf. Jeder Detektor im Detektor 10 erzeugt ein analoges elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahles und somit den geschwächten Strahl repräsentiert, wie er durch das Objekt 8 hindurchgeht. In einer Ausführungsform ist der Detektor 10 ein Detektor auf Szintillationsgrundlage, es ist jedoch auch vorgesehen, dass Direktumwandlungs-Detektoren (z.B. CZT-Detektoren usw.) ebenfalls eingesetzt werden können.
Ein Prozessor 12 empfängt die Signale von dem Detektor 10 und erzeugt ein Bild, das dem gescannten Objekt 8 entspricht. Ein Computer 14 steht in Verbindung mit dem Prozessor 12, um eine Bedienungsperson, die eine Bedienungskonsole 16 benutzt, in Stand zu setzen, die Scannparameter zu regeln und das erzeugte Bild zu betrachten. Die Bedienungskonsole 16 schließt eine Form von Bedienungsinterface ein, wie eine Tastatur, eine Maus, einen stimmaktivierten Regler oder irgendeine andere geeignete Eingabevorrichtung, die es einer Bedienungsperson gestattet, das Abbildungssystem 2 zu regeln und das rekonstruierte Bild oder andere Daten von dem Computer 14 auf einer Anzeigeeinheit 18 zu betrachten. Zusätzlich gestattet es die Bedienungskonsole 16 einer Bedienungsperson, das erzeugte Bild in einer Speichervorrichtung 20 zu speichern, die Festplatten, einen Schnellspeicher, Kompaktdisketten usw., einschließen kann. Die Bedienungsperson kann die Bedienungskonsole 16 auch dazu benutzen, um Anweisungen und Instruktionen zum Regeln eines Quellenreglers 22, der Energie und Zeitsignale an die Röntgenquelle 4 gibt, an den Computer 14 zu geben.
2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Röntgenröhre oder -quelle 4, die Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet. Die Röntgenquelle 4 weist ein Gefäß 100 mit einem Strahlungsemissionsdurchgang 102 auf, der den Durchgang der Röntgenstrahlen 6 gestattet. Das Gefäß 100 schließt ein Röntgenröhrenvolumen 104 ein, das ein Target oder eine Anode 106, eine Spirallaufrillenlager(SGB)-Baueinheit 108 und eine Kathode 110 enthält. Die SGB 108 schließt eine zentrale Wellen-, Säulen- oder zentrale Montagestruktur 112 ein, die konfiguriert ist, an dem Befestigungspunkt 114 an dem Gefäß 100 angebracht zu sein. In einer Ausführungsform schließt der zentrale Schaft 112 einen radialen Vorsprung 116 ein, der konfiguriert ist, die Bewegung oder Translation erster und zweiter Hülsen 118, 120 axial zu begrenzen. Die SGB 108 schließt eine rotierbare Montagestruktur ein, die die erste Hülse 118 und die zweite Hülse 120 einschließt, die an einer Trennstelle 122 trennbar sind, um das Zusammenbauen und Auseinanderbauen der SGB 108 zu erleichtern. Die SGB 108 schließt einen Spalt 124 ein, der zwischen einer äußeren Oberfläche 126 der zentralen Welle 112 und einer inneren Oberfläche 128 der ersten Hülse 118 gebildet ist. In ähnlicher Weise ist zwischen einer äußeren Oberfläche 126 der zentralen Welle 112 und inneren Oberflächen 130 der zweiten Hülse 120 der Spalt 124 gebildet. Innerhalb des Spaltes 124 ist ein flüssiges Metall 132 angeordnet und in Ausführungsformen der Erfindung umfasst das flüssige Metall 132 als Beispiele Gallium, Zinn, Indium und deren Legierungen. Die SGB 108 schließt einen Rotor 134 ein, der an der zweiten Hülse 120 angebracht ist. Ein Stator 136 ist an dem Gefäß 100 (die Befestigung ist nicht gezeigt) der Röntgenröhre 4 angebracht.
Das flüssige Metall 132 dient zum Abstützen der ersten Hülse 118, der zweiten Hülse 120 und des Targets 106. Das flüssige Metall 132 wirkt dadurch als ein Schmiermittel zwischen rotierenden und stationären Komponenten. In der dargestellten Ausführungsform wird die zentrale Welle 112 mit Bezug auf das Gefäß 100 stationär gemacht, und das Target 106, die erste Hülse 118 und die zweite Hülse 120 werden um eine Rotationsachse 138 der Röntgenröhre 4 rotiert. Röntgenstrahlen 6 werden erzeugt, wenn Hochgeschwindigkeits-Elektronen plötzlich verlangsamt werden, wenn sie über eine Potenzialdifferenz zwischen z.B. 60.000 Volt oder mehr im Falle von CT-Anwendungen, von der Kathode 110 zu der Anode 106 dirigiert werden. Die Röntgenstrahlen 6 werden dann durch den Strahlungsemissions-Durchgang 102 zu einer Detektoranordnung, wie den Detektor 10 von 1, emittiert. Um ein Überhitzen der Anode 106 durch die Elektronen zu vermeiden, drehen der Rotor 134 und die Hülsen 118, 120 die Anode 106 mit einer hohen Geschwindigkeit um die Mittellinie 138 mit z.B. 90–250 s^–1.
Wegen des Erhitzens durch Röntgenstrahlerzeugung in der Anode 108 und wegen des Selbsterhitzens des flüssigen Metalls 132 in dem Spalt 124 ist die Lebensdauer der SGB 108 und daher der Röntgenröhre 4 wegen der beschleunigenden Wirkungen hoher Temperatur des reaktionsfähigen flüssigen Metalls allgemein beschränkt. Die SGB 108 kann einen darin gebildeten Hohlraum (nicht gezeigt) zum Durchgang von flüssigem Kühlmittel darin einschließen. Im Betrieb rotiert das Target 106 mittels des Rotors 134, der über die erste und zweite Hülse 118, 120 mechanisch mit ihm gekoppelt ist, um die Rotationsachse 138. Kühlfluid, das eine Flüssigkeit einschließen kann, wie ein dielektrisches Öl, Ethylenglykol, Propylenglykol und Ähnliche, oder das ein Gas einschließen kann, wie Luft, Stickstoff, Argon und Ähnliche, wird unter Druck gesetzt und dazu veranlasst, in das Zentrum des zentralen Schaftes 112 zu fließen.
SGBs schließen typischerweise (nicht gezeigte) gewinkelte Rillen zur Aufnahme von flüssigem Metall darin und zum Verhindern des Verlustes von flüssigem Metall aus Spalten, wie dem Spalt 124 von SGB 108, ein, wie es im Stande der Technik bekannt ist. So können z.B. Rillen auf der äußeren Oberfläche 126 der zentralen Welle 112 oder der inneren Oberfläche 128 der ersten Hülse, auf inneren Oberflächen 130 der zweiten Hülse 120 und auf Kombinationen davon angeordnet sein. Trotz der Funktion der Rillen, flüssiges Metall 132 innerhalb des Spaltes 124 zu enthalten, tun sie dies auf Kosten eines erhöhten Reibungserhitzens von flüssigem Metall 132 innerhalb der SGB 108. Weiter unter Bezugnahme auf 2 mag es erwünscht sein, beispielsweise das Fließen von flüssigem Metall in einen Spalt 140 zu verhindern, der sich in der Nähe befindet, wo die Anode 106 nahe der zentralen Welle 112 angeordnet und durch eine Kappe 142 gebildet ist, oder in den Spalt 124 nahe dem radialen Vorsprung 116. Es mag auch erwünscht sein, das Fließen von flüssigem Metall innerhalb des Spaltes 124 entlang axialen Teilen der ersten Hülse 118 und/oder der zweiten Hülse 120 zu begrenzen. An Stelle von oder zusätzlich zur Bereitstellung gewinkelter Rillen auf Komponenten der SGB 108 sind typischerweise dem Benetzen entgegenwirkende Überzüge vorgesehen, wie oben erläutert, um die Wanderung von flüssigem Metall innerhalb der SGB 108 zu begrenzen. Solche bekannten Überzüge können, wie ausgeführt, Ti_xO_y, Al₂O₃ und TiN einschließen, die jedoch in bekannten Anwendungen aus oben angegebenen Gründen jeweils Gegenstand der Beschädigung sind oder unerwünscht sein mögen.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann ein verbesserter, dem Benetzen entgegenwirkender Überzug in Regionen innerhalb einer SGB aufgebracht werden, wo es erwünscht ist, die Wanderung flüssigen Metalls zu begrenzen. Bezugnehmend nun auf 3 ist ein Überzug 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf einem Grundsubstrat 202 abgeschieden. Gemäß dieser Ausführungsform schließt Überzug 200 mindestens eine Schicht aus Titannitrid (TiN) 204 und eine Schicht aus Titanoxid 206 ein, ausgedrückt in der allgemeinen chemischen Form: Ti_xO_y, wobei die tiefgestellten x und y typischerweise ganze Zahlen sind, die in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Schicht oder Teilen der Schicht variiert sein können. D.h. Ti_xO_y kann allgemein als Titanoxid bezeichnet werden, doch kann es irgendeine allgemeine chemische Struktur umfassen, die Titan und Sauerstoff als primäre Bestandteile einschließt, ungeachtet irgendwelcher zufälliger Verunreinigungen oder zusätzlicher Elemente oder Materialien, die darin vorhanden sein können. In ähnlicher Weise kann TiN allgemein als Titannitrid bezeichnet werden, doch kann es eine allgemeine chemische Struktur umfassend, die Titan und Stickstoff als primäre Bestandteile einschließt, ungeachtet zufälliger Verunreinigungen oder zusätzlicher Elemente oder Materialien, die darin vorhanden sein können.
Gemäß der Erfindung und noch unter Bezugnahme auf 3 ist der dem Benetzen entgegenwirkende Überzug 200 auf irgendeiner der Oberflächen innerhalb der SGB 108 und innerhalb der Spalte 124, 140 angeordnet, die zwischen rotierbaren und stationären Oberflächen gebildet sind, wo es erwünscht ist, die Wanderung und das Lecken flüssigen Metalls zu begrenzen. Gemäß der Erfindung kann Überzug 200 auf einer oder beiden gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet sein, wo es erwünscht ist, die Wanderung zu begrenzen. Der Überzug 200 kann daher auf ausgewählten Bereichen irgendwelcher der Komponenten angeordnet sein, um die zentrale Welle 112, die Hülsen 118, 120 und die Kappe 142 einzuschließen. Gemäß dieser Ausführungsform schließen die SGB-Komponenten ein Grundmaterial aus Molybdän ein. Bezugnehmend auf 3 ist das Grundsubstrat 202 Molybdän gemäß dieser Ausführungsform und kann irgendwelche der hierin aufgeführten Komponenten der SGB einschließen. Irgendwelche der Komponenten 112, 118, 120 und 142 können den Überzug 200 einschließen, der mindestens eine erste Schicht aus Titannitrid 204 und eine zweite Schicht aus Titanoxid 206 aufweist, wie in 3 gezeigt.
Gemäß der Erfindung kann der Überzug 200 zusätzliche und wahlweise Schichten von Titan einschließen. In Abhängigkeit davon, wie der Überzug 200 hergestellt wird, kann der Überzug 200 eine erste Titanschicht 208 und/oder eine zweite Titanschicht 210 einschließen. Erste und zweite Titanschichten 208, 210 können daher in Ausführungsformen der Erfindung eingeschlossen sein, brauchen es aber nicht. Gemäß einer Ausführungsform ist der Überzug 200 gemäß den Verfahrensstufen hergestellt, die in 4 veranschaulicht sind. Typischerweise werden die Verfahrensstufen von 4 durch Anordnen einer Komponente oder von Komponenten in einer Plasmakammer oder einem Magnetron 212 ausgeführt, um die Vakuumumgebung 214 zu präsentieren, in der Teile gemäß der Erfindung überzogen werden können.
Bezugnehmend auf 4 beginnt das Überzugsverfahren 300 durch Bereitstellen einer oder mehrerer Grundkomponenten bei Stufe 302. Die Grundkomponente(n) werden maskiert, wie im Stande der Technik bekannt, und in einer Vorrichtung angeordnet, wie einer Plasmakammer oder einem Magnetron, zum Zerstäubungsreinigen und zur Überzugsabscheidung. Wie im Stande der Technik bekannt, kann das Maskieren von Komponenten typischerweise mit einer physischen Maske (wie korrosionsbeständigem Stahl) ausgeführt werden, die an den Teil in der zu maskierenden Region angepasst ist, oder durch Einsetzen eines Polyimids, wie Kapton^®. Der Fachmann wird erkennen, dass das Maskieren von Komponenten nach anderen Verfahren des Standes der Technik ausgeführt werden kann.
Bei Stufe 304 werden somit die Komponente(n) unter Einsatz von Argon zerstäubungsgereinigt und nachfolgende Schritte können dadurch ausgeführt werden, indem man die Komponente(n) innerhalb der Plasmakammer zur Überzugsabscheidung belässt. Ohne das Vakuum zu unterbrechen wird bei Stufe 306 eine Titanschicht abgeschieden, die als die Quelle für Titan in der nachfolgenden Stufe 308 dient, in der die Komponente(n) Stickstoff- und Argonplasma ausgesetzt wird (werden), um durch Umsetzung von Stickstoff mit dem zuvor in Stufe 306 abgeschiedenen Titan Titannitrid 204 zu bilden. In Stufe 310 wird wiederum eine Titanschicht abgeschieden, die als die Quelle für Titan in der folgenden Stufe 312 dient, in der die Komponente(n) einem Sauerstoff- und Argonplasma ausgesetzt wird (werden), um durch Reaktion von Sauerstoff mit dem zuvor in Stufe 310 abgeschiedenen Titan Titanoxid 206 zu bilden.
Wie erläutert, kann die Titannitridschicht 204 in situ gebildet werden, indem man zuerst unter Benutzung von Stufe 306 die Titanschicht 208 abscheidet. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird eine Verbindung aus Titannitrid jedoch direkt auf das Grundsubstrat 202 aufgebracht. Gemäß dieser Ausführungsform wird Titannitrid, statt zuerst die erste Titanschicht 208 während der Stufe 306 zu bilden, direkt vor Stufe 306 auf dem Grundsubstrat 202 aufgebracht. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Schicht 208 aus elementarem Titan nicht gebildet, da eine Quelle von Titan während der Bildung der Schicht 204 in dieser Ausführungsform nicht erforderlich ist. Statt dessen wird Titannitrid als Schicht 204 direkt auf dem Grundsubstrat 202 gebildet.
Die gleiche Kammer oder das gleiche Magnetron wird typischerweise zur Ausführung aller Stufen benutzt: 306–312. Zusätzlich, und wie erläutert, können Komponenten zerstäubungsgereinigt und dann für nachfolgende Überzugsstufen innerhalb der gleichen Kammer oder dem gleichen Magnetron 212 belassen werden. Die Teile können gut gereinigt werden und eine Verunreinigung kann vermieden werden, indem man das Vakuum zwischen dem Reinigen und dem Aufbringen von Material nicht unterbricht. Die Dicke jeder Schicht wird durch mindestens das Ausmaß der Abscheidungszeit geregelt, während man die Gesamtenergie des Magnetrons konstant hält. Magnetron-Strom und -Spannung sind wichtige Abscheidungs-Regelparameter, die ihrerseits durch Einstellen des Gesamtdruckes in dem Magnetron geregelt werden.
Typischerweise liegt die anzulegende erwünschte Spannung im Bereich von 300–500 V, oberhalb dessen ein Lichtbogen auftreten mag. Typischerweise wird auch ein Gesamtdruck im Bereich von 10–15 mTorr, so groß wie ein Bereich von 5–20 mTorr, zum Regeln der Magnetronleistung benutzt. Die Rate der Stickstoff- und Sauerstoff-Abscheidung, die in ihren jeweiligen Stufen abgeschieden werden, wird ebenfalls durch Regeln der Verhältnisse von Argon/Stickstoff und Argon/Sauerstoff in ihren entsprechenden Stufen 308 und 312 geregelt und gemäß einer Ausführungsform beträgt das Verhältnis für jede Stufe 308 und 312 10:1. Strömungsraten der Quellengase Stickstoff/Argon während Stufe 308 und Sauerstoff/Argon während Stufe 312 sind ausgewählt als eine Funktion des Pumpsystems, der Geometrie der zu überziehenden Oberflächen und Ähnlichem und können in einem Bereich von etwa 40–150 SSCM gemäß Ausführungsformen der Erfindung liegen.
Wie erläutert, können Ausführungsformen der Erfindung Titan in den Schichten 208 und 210 einschließen, brauchen dies aber nicht. Die Bildung der Schichten 204 und 206 hängt von der Dauer des Aussetzens gegenüber dem Plasma während der Plasmastufen 308 und 312 ab. Wenn die Stufen 308 und 312 für eine ausreichend lange Dauer ausgeführt werden, dann wird das gesamte Titan in den entsprechenden Schichten 208 und 210 während der Plasmastufen 308 und 312 verbraucht werden und es wird kein übriges Titan in dieser allgemeinen elementaren Form geben, nachdem das Aussetzen gegenüber dem Plasma abgeschlossen ist. Die Titanschicht 208 z.B. wird, wie erläutert, während der Stufe 306 auf dem Grundsubstrat 202 abgeschieden. Danach wird in Stufe 308 ein Stickstoff- und Argonplasma mit der Titanschicht 208 umgesetzt, was die Bildung der Schicht 204 aus Titannitrid durch Umsetzen von Stickstoff aus dem Plasma mit dem Titan der Schicht 208 verursacht. Wird das Verfahren für eine ausreichend lange Dauer ausgeführt, dann wird das gesamte elementare Titan verbraucht sein, was nur eine Schicht aus Titannitrid 204 zurücklässt, ohne die Schicht 208 aus elementarem Titan. In ähnlicher Weise kann die Schicht 206 aus Titanoxid während der Stufe 312 gebildet werden durch Verbrauchen des gesamten oder nur eines Teiles der Titanschicht 210, die während der Stufe 310 gebildet wurde.
Ausführungsformen der Erfindung, die eine Titannitridschicht 204 auf dem Substrat 202 und die Titanoxidschicht 206 auf der Titannitridschicht 204 gebildet aufweisen, können zusätzliche Titanschichten 208 und/oder 210 aufweisen, brauchen dies aber nicht. Die Titanschichten 208 und 210 können daher absichtlich durch Regeln der Dauer der Stufen 308 und 312 gebildet werden oder sie können als eine verbleibende Restmenge aus elementarem Titan gebildet werden, das während jeder entsprechenden Überzugsstufe 308 und 312 nicht vollständig verbraucht wurde.
Gemäß der Erfindung kann daher die Titanoxidschicht 206 in irgendeiner Dicke von bis zu einigen 10 µm gebildet sein, vorzugsweise jedoch einer Dicke von weniger als 5 µm, und gemäß einer Ausführungsform einer Dicke von weniger als 1 µm. In ähnlicher Weise kann die Titannitridschicht 204 mit einer regelbaren Dicke gebildet sein. Weil es jedoch die Rolle der Titannitridschicht 204 ist, eine harte Oberfläche bereitzustellen, kann ihre Dicke größer sein, bis zu Hunderten von µm oder mehr, und größer als 5 µm gemäß einer Ausführungsform.
5 ist eine Bildansicht eines Röntgensystems 500 zum Einsatz bei einem nicht invasiven System zum Inspizieren von Verpackungen. Das Röntgensystem 500 schließt ein Gerüst 502 mit einer Öffnung 504 ein, durch die Verpackungen oder Gepäckstücke hindurchgehen können. Das Gerüst 502 enthält eine Quelle hochfrequenter elektromagnetischer Energie, wie eine Röntgenröhre 506 und eine Detektorbaueinheit 508. Ein Fördersystem 510 ist auch bereitgestellt und schließt ein Förderband 512 ein, das durch eine Struktur 514 getragen ist und automatisch und kontinuierlich Verpackungen oder Gepäckstücke 516 zum Scannen durch die Öffnung 504 befördert. Gegenstände 516 werden durch das Förderband 512 durch die Öffnung 504 befördert, dann Bilddaten erfasst und das Förderband 512 entfernt die Verpackungen 516 aus der Öffnung 504 in einer geregelten und kontinuierlichen Weise. Als ein Resultat können Postinspektoren, das Gepäck handhabende Personen und anderes Sicherheitspersonal den Inhalt der Verpackungen 516 auf Explosivstoffe, Messer, Revolver bzw. Gewehre, Schmuggelgut usw. inspizieren. Der Fachmann wird erkennen, dass das Gerüst 502 stationär oder rotierbar sein kann. Im Falle eines rotierbaren Gerüstes 502 kann das System 500 konfiguriert sein, als ein CT-System zum Scannen von Gepäck oder für andere industrielle oder medizinische Anwendungen zu arbeiten.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann ein Überzug auf Grundsubstrate von Komponenten eines Spirallaufrillenlagers aufgebracht werden, der mindestens eine erste relativ harte Schicht aus Titannitrid einschließt, das von einer relativ weicheren, gegenüber Sauerstoff schützenden Oberflächenschicht aus Titanoxid überzogen ist. Der Überzug behält die Kratzbeständigkeit des Titannitrids selbst nach Aussetzen gegenüber hoher Temperatur, was die Robustheit gegenüber dem Taupunkt während des Glühens in Wasserstoff fördert. Dies gestattet ein einfaches Wiederbearbeiten und Wiederbenutzen von Lagerteilen, da wiederbearbeitete oder wiederbenutzte Lagerteile typischerweise mehr oxidierendes Ga₂O entwickeln als neue oder „grüne“ Lager, was bekannte Titannitridüberzüge einem Oxidationsrisiko aussetzen kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Röntgenröhre ein Gefäß das ein hohes Vakuum einschließt, eine Kathode, die innerhalb der Umhüllung angeordnet ist, eine Lagerbaueinheit, eine stationäre Komponente, zusammengesetzt aus einem ersten Grundsubstrat, wobei das erste Grundsubstrat eine erste Oberfläche aufweist, eine rotierbare Komponente, zusammengesetzt aus einem zweiten Grundsubstrat, wobei das zweite Grundsubstrat eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die rotierbare Komponente nahe der stationären Komponente derart angeordnet ist, dass ein Spalt zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche gebildet ist, ein flüssiges Metall, das innerhalb des Spaltes angeordnet ist, und einen dem Benetzen entgegenwirkenden Überzug, der an mindestens einer der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche haftet, wobei der Überzug Titannitrid, das an mindestens einer der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche haftet, und ein Oxid von Titan einschließt, das an dem Titannitrid haftet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung schließt ein Verfahren zum Bilden eines dem Benetzen entgegenwirkenden Überzuges auf einer Komponente eines Spirallaufrillenlagers das Abscheiden von Titannitrid auf der Komponente, das Abscheiden von Titanoxid auf der Komponente ein, nachdem das Titannitrid auf der Komponente abgeschieden worden ist.
Noch eine andere Ausführungsform der Erfindung schließt ein Spirallaufrillenlager (SGB) ein, das eine stationäre Komponente und eine rotierbare Komponente einschließt, die jeweils ein entsprechendes Grundsubstrat aufweisen und jeweils eine Schicht aufweisen, zusammengesetzt aus einer äußeren Oberflächenschicht aus Titanoxid und Titannitrid, das zwischen einer Oberfläche jedes Grundsubstrates und jeder entsprechenden äußeren Schicht aus Titanoxid angeordnet ist, worin ein Spalt zwischen der stationären Komponente und der rotierbaren Komponente gebildet ist und ein flüssiges Metall in dem Spalt angeordnet ist, wobei das flüssige Metall eines von Gallium und einer Galliumlegierung umfasst.
Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben und es sollte klar sein, dass Äquivalente, Alternativen und Modifikationen neben den ausdrücklich Erläuterten möglich sind und in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Eine Röntgenöhre weist ein Gefäß, das ein hohes Vakuum einschließt, eine innerhalb des Gefäßes angeordnete Kathode, eine Lagerbaueinheit, eine stationäre Komponente, die aus einem ersten Grundsubstrat zusammengesetzt ist, wobei das erste Grundsubstrat eine erste Oberfläche aufweist, eine rotierbare Komponente, die aus einem zweiten Grundsubstrat zusammengesetzt ist, wobei das zweite Grundsubstrat eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die rotierbare Komponente nahe der stationären Komponente derart angeordnet ist, dass ein Spalt zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche gebildet ist, ein flüssiges Metall, das innerhalb des Spaltes angeordnet ist, und einen dem Benetzen entgegenwirkenden Überzug auf, der an mindestens einer der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche haftet, wobei der Überzug Titannitrid einschließt, das an der mindestens einen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche haftet, und ein Oxid aus Titan, das an dem Titannitrid haftet.

Claims

Röntgenröhre, aufweisend: einen ein hohes Vakuum einschließendes Gefäß; eine innerhalb des Gefäßes angeordnete Kathode und eine Lagerbaueinheit, umfassend: eine stationäre Komponente, zusammengesetzt aus einem ersten Grundsubstrat, wobei das erste Grundsubstrat eine erste Oberfläche aufweist; eine drehbare Komponente, zusammengesetzt aus einem zweiten Grundsubstrat, wobei das zweite Grundsubstrat eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die drehbare Komponente nahe der stationären Komponente derart angeordnet ist, dass zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche ein Spalt gebildet ist; ein flüssiges Metall, das innerhalb des Spaltes angeordnet ist, und einen dem Benetzen entgegenwirkenden Überzug, der an mindestens einer der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche haftet, wobei der Überzug umfasst: Titannitrid, das an mindestens einer der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche haftet, und ein Oxid von Titan, das an dem Titannitrid haftet.
Röntgenröhre nach Anspruch 1, worin eines des ersten Grundsubstrates und des zweiten Grundsubstrates Molybdän umfasst.
Röntgenröhre nach Anspruch 1, worin das Oxid von Titan eine Dicke von weniger als 5 µm aufweist.
Röntgenröhre nach Anspruch 1, worin die Dicke des Oxids des Titans geringer als 1 µm ist.
Röntgenröhre nach Anspruch 1, worin das Titannitrid eine Dicke von mehr als 5 µm aufweist.
Röntgenröhre nach Anspruch 1, worin der Überzug eine Schicht aus Titan umfasst, die zwischen dem Oxid von Titan und dem Titannitrid angeordnet ist.
Röntgenröhre nach Anspruch 1, worin der Überzug eine Schicht aus Titan umfasst, die zwischen dem Titannitrid und der mindestens einen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet ist.
Röntgenröhre nach Anspruch 1, worin die stationäre Komponente eine zentrale Welle ist, die mit Bezug auf das Gefäß stationär ist.
Röntgenröhre nach Anspruch 1, worin das flüssige Metall eines von Gallium und einer Galliumlegierung umfasst.
Verfahren zum Bilden eines dem Benetzen entgegenwirkenden Überzuges auf einer Komponente eines Spirallaufrillenlagers, umfassend: Abscheiden von Titannitrid auf der Komponente und Abscheiden von Titanoxid auf der Komponente, nachdem das Titannitrid auf der Komponente abgeschieden worden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, aufweisend: das Bereitstellen der Komponente mit einem Grundsubstrat; das Abscheiden von Titan auf einer Oberfläche des Grundsubstrates der Komponente vor dem Abscheiden des Titannitrids auf der Komponente; das Aussetzen des abgeschiedenen Titans auf der Oberfläche des Grundsubstrates gegenüber einem Plasma, das Stickstoff umfasst, um den Stickstoff mit dem abgeschiedenen Titan auf der Oberfläche des Grundsubstrates umzusetzen, um das abgeschiedene Titannitrid zu bilden; das Abscheiden von Titan auf einer Oberfläche des abgeschiedenen Titannitrids und das Aussetzen des abgeschiedenen Titans auf der Oberfläche des abgeschiedenen Titannitrids gegenüber einem Plasma, das Sauerstoff umfasst, um den Sauerstoff mit dem abgeschiedenen Titan auf der Oberfläche des abgeschiedenen Titannitrids zum Bilden des abgeschiedenen Titanoxids umzusetzen.
Verfahren nach Anspruch 10, umfassend das Abscheiden von Titan auf der Komponente nach dem Abscheiden des Titannitrids aber vor dem Abscheiden des Titanoxids auf der Komponente.
Verfahren nach Anspruch 10, beinhaltend: das Anordnen der Komponente in einem Magnetron und das Abscheiden des Titannitrids und des Titanoxids unter Anwendung des Magnetrons.
Verfahren nach Anspruch 13, beinhaltend: das Bereitstellen einer Verbindung, die aus Titan und Stickstoff zusammengesetzt ist; worin das Abscheiden des Titannitrids das Abscheiden der Verbindung aus Titan und Stickstoff unter Benutzung des Magnetrons umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, beinhaltend: das Argonzerstäuben der Komponente in dem Magnetron, um die Komponente zu reinigen, nachdem die Komponente in dem Magnetron angeordnet ist aber vor dem Abscheiden des Titannitrids und des Titanoxids.
Spirallaufrillenlager (SGB), beinhaltend: eine stationäre Komponente und eine rotierbare Komponente, die jeweils ein entsprechendes Grundsubstrat und jeweils eine Schicht aufweisen, zusammengesetzt aus: einer äußeren Oberflächenschicht aus Titanoxid und Titannitrid, das zwischen einer Oberfläche jedes Grundsubstrates und jeder entsprechenden äußeren Schicht aus Titanoxid angeordnet ist, wobei ein Spalt zwischen der stationären Komponente und der rotierbaren Komponente gebildet ist, und einem flüssigen Metall, das in dem Spalt angeordnet ist, wobei das flüssige Metall eines von Gallium und einer Galliumlegierung umfasst.
SGB nach Anspruch 16, worin jedes entsprechende Grundsubstrat aus Molybdän zusammengesetzt ist.
SGB nach Anspruch 16, worin jede äußere Schicht aus Titanoxid eine Dicke von weniger als 5 µm aufweist.
SGB nach Anspruch 18, worin jede äußere Schicht aus Titanoxid eine Dicke von weniger als 1 µm aufweist.
SGB nach Anspruch 16, worin jede entsprechende Schicht einschließt: eine erste Schicht aus Titan, die zwischen dem Titannitrid und seiner entsprechenden Oberfläche des Grundsubstrates angeordnet ist, und eine zweite Schicht aus Titan, das zwischen dem Titannitrid und seiner entsprechenden äußeren Oberfläche des Titanoxids angeordnet ist.