DE102016217423B4

DE102016217423B4 - Anode

Info

Publication number: DE102016217423B4
Application number: DE102016217423.1A
Authority: DE
Inventors: Jörg Freudenberger; Anja Fritzler
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2036-09-14
Also published as: US10535489B2; DE102016217423A1; CN107818903A; CN107818903B; US20180075999A1

Abstract

Anode mit einem Grundkörper (2), auf dem eine röntgenaktive Schicht (3) aufgebracht ist, wobei in dem Grundkörper (2) unterhalb der röntgenaktiven Schicht (3) zumindest teilweise wenigstens ein erster Kühlkreislauf (11) mit einem ersten Kühlmedium (12) verläuft und unterhalb des ersten Kühlkreislaufs (11) wenigstens ein zweiter Kühlkreislauf (21) mit einem zweiten Kühlmedium (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die röntgenaktive Schicht (3) durch zumindest eine Schutzschicht (40) von wenigstens einem ersten Kühlkreislauf (11) getrennt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anode.
Eine derartige Anode ist in einer Röntgenröhre angeordnet und dient der Erzeugung von Röntgenstrahlung durch Beschuss mit Elektronen. Die Elektronen werden ihrerseits aus einer Elektronenquelle (Kathode mit einem thermoionischen Emitter oder einem Feldemitter) freigesetzt und über eine Hochspannung, die zwischen der Elektronenquelle und der Anode anliegt, auf die gewünschte Primärenergie beschleunigt. 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 zu etwa 1 % in Röntgenstrahlung (Bremsstrahlung) und zu ca. 99 % in Wärme umgesetzt. Die Schicht im Anodenmaterial, in der beim Auftreffen der Elektronen Röntgenstrahlung entsteht, wird auch als röntgenaktive Schicht bezeichnet. Die röntgenaktive Schicht ist aus einem Material (Anodenmaterial) mit einer hohen Kernladungszahl (Ordnungszahl) Z gefertigt, z.B. Wolfram (W, Z = 74) oder eine Legierung aus Wolfram und Rhenium (Re, Z = 75).
Aufgrund der Umwandlung von etwa 99 % der kinetischen Energie der auf die Anode auftreffenden Elektronen (typisch ca. 70 keV bis maximal 140 keV) in Wärme entstehen im Aufenthaltsbereich des Elektronenstrahls (Brennfleck) Temperaturen von bis zu ca. 2.600°C. Damit ist das Wärmemanagement eine wesentliche Aufgabe der Anode.
Der technisch geplante und konstruktiv realisierte Aufenthaltsbereich des Elektronenstrahls, also die Stelle der Anode, an dem der Primärstrahl der in der Kathode erzeugten Elektronen in einem Brennfleck auftrifft, kann entweder stationär sein (Steh-/Festanoden) oder eine Brennbahn bilden (rotierende Anoden bei Drehanoden-Röntgenröhren oder Drehkolben-Röntgenröhren) .
Die US 7,440,549 B2 beschreibt eine Anode mit einem Grundkörper, auf dem eine röntgenaktive Schicht aufgebracht ist, wobei in dem Grundkörper unterhalb der röntgenaktiven Schicht zumindest teilweise wenigstens ein erster Kühlkreislauf mit einem ersten Kühlmedium verläuft und unterhalb des ersten Kühlkreislaufs wenigstens ein zweiter Kühlkreislauf mit einem zweiten Kühlmedium angeordnet ist.
Ähnliche Anoden sind auch in der US 5,737,387 A sowie in der US 6,304,631 B1 und in der DE 29 19 153 A1 offenbart.
In der DE 38 27 511 A1 ist eine Stehanode beschrieben, die im Inneren einen Kanal aufweist, in dem zur Kühlung Wasser fließen kann (Innenkühlung).
Aus der EP 1 959 528 A2 ist eine Diodenlaseranordnung mit einem aktiven Kühler bekannt. Der Kühler ist als Mikrokühler ausgeführt und wird von einem Kühlmedium (Wasser) durchströmt. Der Mikrokühler bildet somit eine aktive Wärmesenke.
Weiterhin ist in der US 7,197,119 B2 eine Drehkolben-Röntgenröhre offenbart, bei die Rückseite der Drehanode, die bauartbedingt Teil des Röhrengehäuses ist, direkt von einem „stehenden“ Kühlmedium im Strahlergehäuse gekühlt wird. Die Dicke der Drehanode kann nicht wesentlich reduziert werden, da sonst Materialversagen eintritt. Durch die Verwendung von Kupfer oder TZM kann einem kritischen Materialversagen und damit einer Rissbildung vorgebeugt werden, so dass ein kritischer Vakuumbruch des Röhrengehäuses vermieden wird.
Aus der US 5,541,975 A ist eine Röntgenröhre mit einer Drehanode bekannt. Die Drehanode ist auf einer Rotorwelle angeordnet, die von einem Flüssigmetall durchströmt wird und dadurch Wärme aus der Drehanode abführt. Ferner ist aus der CN 104 681 378 A eine Röntgenröhre bekannt, bei der ein Flüssigmetall sowohl eine Anode bildet auch als Kühlmedium vorgesehen ist.
Schließlich ist in der US 2014/0369476 A1 eine Vorrichtung mit einer als LIMAX (liquid-metal anode X-ray) bezeichneten Röntgenquelle bekannt. Bei dieser Röntgenquelle dient das Flüssigmetall sowohl der Erzeugung der Röntgenstrahlung als auch der Kühlung. Das Flüssigmetall ist hierbei durch ein Fenster gegenüber dem Vakuum abgedichtet. Das abdichtende Fenster, das z.B. aus Diamant besteht, und das in der Anode fließende Flüssigmetall definieren damit die Eigenschaften der Röntgenstrahlung. Da keine Maßnahmen vorgesehen sind, die Temperatur des Flüssigmetalls lokal zu regeln, ist die erreichbare Temperatur des Flüssigmetalls begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anode mit verbesserten thermomechanischen Eigenschaften zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anode sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Die Anode nach Anspruch 1 umfasst einen Grundkörper, auf dem eine röntgenaktive Schicht aufgebracht ist, wobei in dem Grundkörper unterhalb der röntgenaktiven Schicht zumindest teilweise wenigstens ein erster Kühlkreislauf mit einem ersten Kühlmedium verläuft und unterhalb des ersten Kühlkreislaufs wenigstens ein zweiter Kühlkreislauf mit einem zweiten Kühlmedium angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist die röntgenaktive Schicht durch zumindest eine Schutzschicht von wenigstens einem ersten Kühlkreislauf getrennt.
Die erfindungsgemäße Anode umfasst einen Grundkörper, auf dessen Oberfläche eine röntgenaktive Schicht aufgebracht ist.
Die röntgenaktive Schicht weist eine Dicke von beispielsweise ca. 20 µm bis ca. 500 µm auf. Im Betriebszustand werden auf die röntgenaktive Schicht Elektronen geschossen, die in Richtung Anode beschleunigt werden und zu einem Elektronenstrahl fokussiert sind. Beim Auftreffen des Elektronenstrahls wird in der röntgenaktiven Schicht Röntgenstrahlung (Bremsstrahlung) erzeugt.
Im Grundkörper verläuft unterhalb der röntgenaktiven Schicht zumindest eine erste Kühlstruktur, durch die ein erstes Kühlmedium fließt. Die erste Kühlstruktur ist Teil wenigstens eines ersten Kühlkreislaufs, in dem das ersten Kühlmedium zirkuliert. Das erste Kühlmedium kann auf hohe Temperaturen von beispielsweise bis zu ca. 2.000°C erhitzt werden.
Durch die gemäß Anspruch 1 vorgeschlagene Anordnung wenigstens einer Schutzschicht zwischen der röntgenaktiven Schicht und wenigstens einem ersten Kühlkreislauf kann das Material der röntgenaktiven Schicht weitestgehend unabhängig vom ersten Kühlmedium gewählt werden.
Abhängig von der Ausgestaltung der Anode (z.B. Anordnung des ersten Kühlkreislaufs und/oder des zweiten Kühlkreislaufs) und dem Anwendungsfall weist die erste Kühlstruktur beispielsweise eine Höhe zwischen 0,2 mm und 200 mm auf.
Unter der Kühlstruktur, die den ersten Kühlkreislauf bildet, verläuft erfindungsgemäß wenigstens ein zweiter Kühlkreislauf mit einem zweiten Kühlmedium. Das zweite Kühlmedium ist typischerweise Wasser mit entsprechenden Zusätzen, z.B. Antikorrosionsmittel, Frostschutzmittel und Biozid. Wasser mit Polyvinylalkohol (PVA) als Zusatzmittel zum Frostschutz und/oder Korrosionsschutz ist aus der EP 1 055 719 A1 bekannt.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung nach Anspruch 1 werden durch die Richtung und die Strömungsgeschwindigkeit sowie durch das zulässige, hohe Temperaturniveau des ersten Kühlmediums die Ausbreitung der Temperatur und damit die Entwärmung im Aufenthaltsbereich des Brennflecks beschleunigt. Weiterhin wird eine große Fläche auf hohem Temperaturniveau erzielt. Dadurch kann mehr Wärme vom hohen Temperaturniveau im ersten Kühlkreislauf (erstes Temperaturniveau) zum zweiten Kühlkreislauf transportiert werden, der gegenüber dem ersten Kühlkreislauf ein niedrigeres Temperaturniveau (zweites Temperaturniveau) aufweist. Gleichzeitig senkt die hohe Temperatur des ersten Kühlmediums die thermo-mechanischen Spannungen sowohl in der röntgenaktiven Schicht als auch im Grundkörper, so dass hier ebenfalls die Belastungsgrenzen in Richtung höherer Elektronenintensität erweitert werden. Außerdem begrenzt die Siedetemperatur des zweiten Kühlmediums (z.B. Wasser) nicht mehr die Temperatur des ersten Kühlmediums.
Vereinfachend kann dies für die Wärmeleitung in einem stabförmigen Festkörper mit einem konstanten Querschnitt erläutert werden.
Für die Wärmeleitung in einem Stab gilt: δQ = λ·A·Δt·δT/δx, wobei δQ die Wärmemenge, λ die Wärmeleitfähigkeit, A die Querschnittsfläche, Δt die Zeit und δT/δx den Temperaturgradienten bezeichnet.
Wird die untere Temperatur des zweiten Kühlmediums (z.B. Wasser) konstant auf ca. 100°C gehalten und wird für die obere Temperatur die Anodentemperatur angenommen, beispielsweise die Schmelztemperatur von Wolfram T_S = 3.422°C oder die Brennflecktemperatur T_B = 2.600°C, dann ergibt sich die maximal abführte Wärmemenge δQ aus der Länge des stabförmigen Festkörpers (Stablänge). Mit dem ersten Kühlmittel (z.B. Flüssigmetall) kann man die Querschnittsfläche A vergrößern, so dass zwischen dem Temperaturniveau des ersten Kühlmediums (Flüssigmetall) und dem Temperaturniveau des zweiten Kühlmediums (Wasser) eine größere Wärmemenge δQ fließen kann. Damit ist insgesamt ein höherer Wärmefluss möglich.
Gegenüber den bekannten Anoden weist die Anode gemäß Anspruch 1 somit deutlich verbesserte thermomechanische Eigenschaften auf.
Entscheidend ist letztlich die Leistungsdichte im Brennfleck. Wird der Brennfleck sehr klein gewählt, dann treten die genannten Temperaturen auch bei Wärmemengen im Bereich weniger Watt auf. Das hier beschriebene Zwei-Niveau-Kühlsystem ist auch in diesem Fall vorteilhaft. Hier kann das zweite Kühlmedium jedoch auch ein Gas oder ein Gasgemisch (z.B. Luft) sein.
Die in Anspruch 1 beschriebene erfindungsgemäße Lösung ist sowohl für Stehanoden (Festanoden) als auch für Drehanoden geeignet. Um bei Drehanoden das erste Kühlmedium und gegebenenfalls das zweite Kühlmedium auf das rotierende System zu übergeben, ist jedoch eine Drehdurchführung für die betreffenden Kühlmedien erforderlich.
Der erste Kühlkreislauf, in dem das erste Kühlmedium zirkuliert und der erfindungsgemäß zumindest teilweise im Grundkörper verläuft, umfasst vorzugsweise wenigstens einen ersten Kühlkanal, der zumindest teilweise im Grundkörper angeordnet ist (Anspruch 2). Durch die Ausbildung wenigstens eines Kühlkanals im ersten Kühlkreislauf wird das Kühlmedium gezielt an die thermisch besonders hoch beanspruchten Bereiche im Grundkörper wie z.B. unterhalb der röntgenaktiven Schicht geführt.
Im Gegensatz zum ersten Kühlkreislauf, der erfindungsgemäß unterhalb der röntgenaktiven Schicht zumindest teilweise im Grundkörper angeordnet ist, ist es nicht zwingend erforderlich, dass der zweite Kühlkreislauf vollständig oder teilweise im Grundkörper verläuft. Der zweite Kühlkreislauf muss erfindungsgemäß lediglich unterhalb des ersten Kühlkreislaufs angeordnet sein. Im Rahmen der Erfindung sind für den zweiten Kühlkreislauf somit zwei grundsätzlich gleichwertige Alternativen möglich, die lediglich vom betreffenden Einzelfall abhängig sind und die auch in Kombination realisierbar sind.
Gemäß einer ersten Alternative umfasst der zweite Kühlkreislauf, in dem das zweite Kühlmedium zirkuliert, wenigstens einen zweiten Kühlkanal, der zumindest teilweise im Grundkörper angeordnet ist (Anspruch 3).
Nach einer zweiten Alternative umfasst der zweite Kühlkreislauf, in dem das zweite Kühlmedium zirkuliert, wenigstens einen zweiten Kühlkanal, der außerhalb des Grundkörpers angeordnet ist (Anspruch 4). Der zweite Kühlkanal kann beispielsweise im Strahlergehäuse, in dem die Röntgenröhre angeordnet ist, verlaufen oder vom Strahlergehäuse selbst gebildet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anode enthält die röntgenaktive Schicht Wolfram (Anspruch 5). Die röntgenaktive Schicht kann somit aus reinem Wolfram (metallische Reinheit z.B. ca. 99,97 Gew.-%) oder Wolframlegierungen (z.B. Wolfram-Rhenium mit einem Legierungsanteil von beispielsweise ca. 1 % bis ca. 15 % Rhenium) bestehen. Auch mit Zusatzstoffen dotiertes Wolfram (z.B. mit 60 ppm bis 65 ppm Kalium) ist darunter zu verstehen. Die Schichtdicke einer derartigen röntgenaktiven Schicht beträgt typischerweise 20 µm bis 500 µm.
Alternativ zu den beispielhaft genannten Feststoffen kann die röntgenaktive Schicht auch aus einem Flüssigmetall bestehen, beispielsweise reines Gallium oder eine Legierung aus Gallium, Indium und Zinn. Hierbei ist es vorteilhaft, als Material für die röntgenaktive Schicht das im ersten Kühlkanal zirkulierende erste Kühlmedium zu verwenden. Optional kann ein mögliches Abdampfen der röntgenaktiven Schicht durch eine Schutzschicht, z.B. aus Diamant, verhindert werden.
Typischerweise besteht der Grundkörper der Anode aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ ≥ 130 W·m^-1·K^-1 (Anspruch 6). Zu diesen Materialien, die bei 20°C (293 K) diesen Wert erreichen bzw. überschreiten, zählen beispielsweise Molybdän, Kupfer, Diamant und TZM-Legierungen (Titan-Zirkonium-Molybdän) sowie keramische, hochtemperaturbeständige Materialien wie z.B. Tantalhafniumcarbid (Ta₄HfC₅) und Siliciumcarbid (SiC).
Weist die Anode eine Vielzahl von ersten Kühlkanälen auf, dann ist gemäß einer bevorzugten Variante wenigstens ein erster Kühlkanal zumindest teilweise in einem Abstand t von 0,2 mm bis 0,5 mm unter der röntgenaktiven Schicht angeordnet (Anspruch 7).
Typischerweise kommen heute in der Medizintechnik Brennfleckgrößen mit einer Brennflecklänge c von ca. 5 mm bis 10 mm und einer Brennfleckbreite d von ca. 1 mm zum Einsatz.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Anode ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erster Kühlkanal einen Querschnitt Q = a·b aufweist, wobei a = 0,5 mm und b = 1,0 mm beträgt (Anspruch 8). Im Rahmen der Erfindung muss der Querschnitt nicht notwendigerweise rechteckig sein. Abhängig von den Gegebenheiten bzw. den Erfordernissen können auch andere Querschnitte für wenigstens einen ersten Kühlkanal zweckmäßig sein. Zu den bedarfsweise realisierbaren Querschnitten zählen z.B. kreisförmige, dreieckige oder ovale Querschnitte. Bei mehreren ersten Kühlkanälen sind für jeden einzelnen ersten Kühlkanal auch verschiedene Querschnitte realisierbar. Im Einzelfall kann es auch vorteilhaft sein, den Querschnitt des betreffenden ersten Kühlkanals nicht konstant beizubehalten sondern diesen Querschnitt - abhängig von thermodynamischen Verhältnissen - über die Länge des ersten Kühlkanals zu verändern.
Bei einer Vielzahl von ersten Kühlkanälen ist es vorteilhaft die ersten Kühlkanäle in einem Abstand von a' = 0,5 mm zueinander anzuordnen (Anspruch 9).
Bei der Wahl von a (Breite des ersten Kühlkanals) und a' (Abstand der Kühlkanäle zueinander) kommt es darauf an, dass a < c (um ca. einen Faktor > 10), wobei c die Brennflecklänge ist, und a' < c (um ca. einen Faktor 10). a' darf zusätzlich nicht größer sein als der Abstand t zwischen der röntgenaktiven Schicht und der ersten Kühlstruktur.
Um den geringen Abstand des ersten Kühlkanals bzw. der ersten Kühlkanäle zur röntgenaktiven Schicht (Anspruch 7) sowie die geringen Querschnitte der ersten Kühlkanäle (Anspruch 8) und den geringen Abstand der ersten Kühlkanäle zueinander (Anspruch 9) zu realisieren, werden z.B. sogenannte additive Fertigungsverfahren („Additive Manufacturing“) eingesetzt. Hierzu zählen beispielsweise 3D-Druckverfahren. Alternativ existieren auch auf Diffusionslöten basierende Fertigungsverfahren.
Aufgrund der maximalen Temperaturen, die in der röntgenaktiven Schicht auftreten können, ist es vorteilhaft, wenn das erste Kühlmedium aus wenigstens einem Flüssigmetall besteht (Anspruch 10), wobei das Flüssigmetall in vorteilhafter Weise Gallium enthält (Anspruch 11). Das Flüssigmetall kann somit reines Gallium (Ga) oder z.B. eine eutektische GaInSn-Legierung (Galinstan^®) aus 68,5 % Gallium (Ga), 21,5 % Indium (In) und 10 % Zinn (Sn) sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Anode ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf durch zumindest eine Trennschicht voneinander getrennt sind (Anspruch 12). Durch die Anordnung wenigstens einer Trennschicht zwischen dem ersten Kühlkreislauf und dem zweiten Kühlkreislauf kann auf einfache Weise eine zumindest einseitige Oberflächenvergrößerung vorgenommen werden, beispielsweise durch Rillenbildung oder durch Sandstrahlen.
Um im Betriebszustand der Anode eine zügige Entwärmung der röntgenaktiven Schicht sicherzustellen, weist das erste Kühlmedium vorzugsweise eine Strömungsgeschwindigkeit von v_s ≥ 10 mm/s auf (Anspruch 13). In diesem Fall beträgt die Strömungsgeschwindigkeit pro Sekunde des ersten Kühlmediums ein Vielfaches der Breite des Elektronenstrahls. Eine derartige Strömungsgeschwindigkeit des ersten Kühlmediums erlaubt sowohl bei Stehanoden als auch bei rotierenden Anoden eine sehr gute Kühlung des Grundkörpers und damit eine zuverlässige Entwärmung der röntgenaktiven Schicht.
Bei der Wahl der Strömungsgeschwindigkeit v_s sollte die Strömungsgeschwindigkeit v_s > d·1/s betragen, wobei mit d die Brennfleckbreite bezeichnet ist.
Die Strömungsrichtung des ersten Kühlmediums ist vorzugsweise im Wesentlichen rechtwinklig zur größeren Ausdehnung der röntgenaktiven Schicht und damit senkrecht zur Längsrichtung der röntgenaktiven Schicht („Kreuzstromprinzip“) gerichtet (Anspruch 14).
Um eine entsprechende Strömungsgeschwindigkeit zu erzielen und aufrechtzuerhalten, ist es vorteilhaft, wenn im ersten Kühlkreislauf eine Verdrängerpumpe angeordnet ist, beispielsweise eine Zahnradpumpe (Anspruch 15).
Durch die Erfindung sowie deren vorteilhafte Ausgestaltungen werden die thermo-mechanischen Spannungen innerhalb der Anode deutlich reduziert, da der bei einer betriebsbedingten Erwärmung der Anode auftretende Temperaturgradient deutlich geringer ist.
Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:

1 einen schematisierten Teilschnitt eines Grundkörpers einer Anode,
2 eine perspektivische Detailansicht einer ersten Kühlstruktur im Grundkörper der Anode gemäß 1.

In 1 ist mit 1 eine Anode bezeichnet, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Stehanode (Festanode) ausgebildet ist.
Die Anode 1 umfasst einen Grundkörper 2, auf dem eine röntgenaktive Schicht 3 aufgebracht ist.
Die röntgenaktive Schicht 3 besteht z.B. aus Wolfram und weist eine Dicke von beispielsweise ca. 20 µm bis ca. 500 µm auf. Im Betriebszustand werden auf die röntgenaktive Schicht 3 Elektronen geschossen, die in Richtung Anode 1 beschleunigt werden und zu einem Elektronenstrahl 5 fokussiert sind. Beim Auftreffen des Elektronenstrahls 5 wird der röntgenaktiven Schicht 3 in einem Brennfleck 6 Röntgenstrahlung (Bremsstrahlung) erzeugt.
Typischerweise kommen heute in der Medizintechnik Brennfleckgrößen mit einer Brennflecklänge c von ca. 5 mm bis 10 mm und einer Brennfleckbreite d von ca. 1 mm zum Einsatz.
Im Grundkörper 2 verläuft erfindungsgemäß unterhalb der röntgenaktiven Schicht 3 zumindest teilweise wenigstens ein erster Kühlkreislauf 11 mit einem ersten Kühlmedium 12. Weiterhin ist erfindungsgemäß unterhalb des ersten Kühlkreislaufs 11 wenigstens ein zweiter Kühlkreislauf 21 mit einem zweiten Kühlmedium 22 angeordnet.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der erste Kühlkreislauf 11, in dem das erste Kühlmedium 12 mit einer Strömungsgeschwindigkeit v_s zirkuliert, wenigstens einen ersten Kühlkanal 13, der zumindest teilweise Grundkörper 1 angeordnet ist. Wie in 2 dargestellt, umfasst der erste Kühlkreislauf 11 vorzugsweise mehrere erste Kühlkanäle 13. Von den ersten Kühlkanälen 13 ist aufgrund der gewählten Darstellung in 1 nur ein erster Kühlkanal 13 sichtbar.
Der erste Kühlkreislauf 11 mit einer vorgebbaren Anzahl von ersten Kühlkanälen 13 bildet somit eine erste Kühlstruktur 10.
Das erste Kühlmedium 12, das z.B. Gallium enthält, kann auf hohe Temperaturen von beispielsweise bis zu ca. 2.000°C erhitzt werden.
Weiterhin umfasst der zweite Kühlkreislauf 21, in dem das zweite Kühlmedium 22 zirkuliert, wenigstens einen zweiten Kühlkanal 23, der zumindest teilweise im Grundkörper 1 angeordnet ist.
Der zweite Kühlkreislauf 21 mit dem zweiten Kühlkanal 23 bildet somit eine zweite Kühlstruktur 20.
Das zweite Kühlmedium 22 ist typischerweise Wasser mit entsprechenden Zusätzen, z.B. Antikorrosionsmittel, Frostschutzmittel und Biozid.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind der erste Kühlkreislauf 11 und der zweite Kühlkreislauf 21 durch eine Trennschicht 30 voneinander getrennt. Durch die Anordnung wenigstens einer Trennschicht 30 zwischen dem ersten Kühlkreislauf 11 und dem zweiten Kühlkreislauf 21 kann auf einfache Weise eine zumindest einseitige Oberflächenvergrößerung vorgenommen werden, beispielsweise durch Rillenbildung oder durch Sandstrahlen.
Weiterhin ist die röntgenaktive Schicht 3 durch eine Schutzschicht 40 von den ersten Kühlkreisläufen 11 der der ersten Kühlstruktur 10 getrennt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wenigstens einer Schutzschicht 40 zwischen der röntgenaktiven Schicht 3 und dem ersten Kühlkreislauf 11 kann das Material der röntgenaktiven Schicht 3 weitestgehend unabhängig vom ersten Kühlmedium 12 gewählt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden durch die Richtung und die Strömungsgeschwindigkeit sowie durch das zulässige, hohe Temperaturniveau des ersten Kühlmediums 12 die Ausbreitung der Temperatur und damit die Entwärmung im Brennfleck 6 (Aufenthaltsbereich des Elektronenstrahls 5) beschleunigt.
Um bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Anode 1 die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit für das erste Kühlmedium 12 zu erreichen, ist im ersten Kühlkreislauf 11 eine Verdrängerpumpe 14 angeordnet.
Weiterhin wird eine große Fläche auf hohem Temperaturniveau erzielt. Dadurch kann mehr Wärme vom hohen Temperaturniveau im ersten Kühlkreislauf 11 (erstes Temperaturniveau) zum zweiten Kühlkreislauf 21, der gegenüber dem ersten Kühlkreislauf 11 ein niedrigeres Temperaturniveau (zweites Temperaturniveau) aufweist, transportiert werden. Gleichzeitig senkt die hohe Temperatur des ersten Kühlmediums 12 die thermomechanischen Spannungen in der röntgenaktiven Schicht 3, so dass hier ebenfalls die Belastungsgrenzen in Richtung höherer Elektronenintensität erweitert werden. Außerdem begrenzt die Siedetemperatur des zweiten Kühlmediums 22 (z.B. Wasser) nicht mehr die Temperatur des ersten Kühlmediums 12 (z.B. Flüssigmetall).
Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung der Anode 1, die eine Vielzahl von ersten Kühlkanälen 13 aufweist, sind - wie in 2 dargestellt - die ersten Kühlkanäle 13 in einem Abstand t von 0,2 mm bis 0,5 mm unter der röntgenaktiven Schicht 3 angeordnet. Die maximal mögliche Schichtdicke der Trennschicht 40 entspricht dem Abstand t, den der Kühlkanal 13 zur röntgenaktiven Schicht 3 aufweist.
Die ersten Kühlkanäle 13 weisen bei der dargestellten Ausführungsform einen Querschnitt Q von 0,5 mm·1, 0 mm auf, wobei die Querschnitte Q - wie in 2 dargestellt - nicht notwendigerweise rechteckig sein müssen. Abhängig von den Gegebenheiten bzw. den Erfordernissen können auch andere Querschnitte für die ersten Kühlkanäle 13 zweckmäßig sein. Zu den bedarfsweise realisierbaren Querschnitten zählen z.B. kreisförmige, dreieckige oder ovale Querschnitte. Bei mehreren ersten Kühlkanälen 13 sind für jeden einzelnen ersten Kühlkanal 13 auch verschiedene Querschnitte realisierbar. Im Einzelfall kann es auch vorteilhaft sein, den Querschnitt des betreffenden ersten Kühlkanals 13 nicht konstant beizubehalten, sondern diesen Querschnitt Q in Abhängigkeit von den thermodynamischen Verhältnissen über die Länge des ersten Kühlkanals 13 zu variieren. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der erste Kühlkanal 13 unterhalb der röntgenaktiven Schicht 3 einen geringeren Querschnitt Q auf als in den angrenzenden Bereichen.
Bei einer Vielzahl von ersten Kühlkanälen 13 ist es vorteilhaft, wie in 2 dargestellt, die ersten Kühlkanäle 13 in einem Abstand a' von 0,5 mm zueinander anzuordnen.
Bei der Wahl von a (Breite des ersten Kühlkanals) und a' (Abstand der Kühlkanäle zueinander) ist a < c (um ca. einen Faktor > 10), wobei c die Brennflecklänge ist, und a' < c (um ca. einen Faktor 10). a' darf zusätzlich nicht größer sein als der Abstand t zwischen der röntgenaktiven Schicht und der ersten Kühlstruktur.
Die Strömungsrichtung des ersten Kühlmediums 12 muss innerhalb der ersten Kühlstruktur 10 nicht notwendigerweise konstant sein. Vielmehr kann sich die Strömung des ersten Kühlmediums 12 innerhalb der ersten Kühlstruktur 10 durch einen entsprechenden Verlauf der ersten Kühlkanäle 13 ändern. In vorteilhafter Weise ist die Strömungsrichtung des ersten Kühlmediums 12 im Wesentlichen rechtwinklig zur größeren Ausdehnung der röntgenaktiven Schicht 3 und damit senkrecht zur Längsrichtung der röntgenaktiven Schicht 3 gerichtet (siehe 2).
In 1 und 2 ist bei einer Stehanode eine Kombination einer (miniaturisierten Version einer) Flüssigmetallkühlung (in einem ersten Kühlkreislauf 11) mit einer Wasserkühlung (in einem zweiten Kühlkreislauf 21) dargestellt. Durch die schnelle Führung des ersten Kühlmediums 12 (Flüssigmetall) im ersten Kühlkreislauf 11 wird die Kühlfläche lokal aufgespreizt.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist es für den Fachmann anhand der beschriebenen Ausführungsform problemlos möglich, auch andere vorteilhafte Ausgestaltungen der in Anspruch 1 definierten erfinderischen Idee zu realisieren, die jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 15 sind.
So ist die dargestellte Lösung nicht nur für Stehanoden sondern auch für rotierende Anoden (Drehanoden-Röntgenröhren, Drehkolben-Röntgenröhren) geeignet. Um bei einer rotierenden Anode (Drehanode) das erste Kühlmedium 12 und gegebenenfalls das zweite Kühlmedium 22 auf das rotierende System zu übergeben, ist jedoch wenigstens eine in 1 nicht dargestellte Drehdurchführung für die betreffenden Kühlmedien erforderlich.
Weiterhin sind im Rahmen der Erfindung auch Kombinationen verschiedener erster Kühlmedien mit verschiedenen zweiten Kühlmedien möglich.

Claims

Anode mit einem Grundkörper (2), auf dem eine röntgenaktive Schicht (3) aufgebracht ist, wobei in dem Grundkörper (2) unterhalb der röntgenaktiven Schicht (3) zumindest teilweise wenigstens ein erster Kühlkreislauf (11) mit einem ersten Kühlmedium (12) verläuft und unterhalb des ersten Kühlkreislaufs (11) wenigstens ein zweiter Kühlkreislauf (21) mit einem zweiten Kühlmedium (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die röntgenaktive Schicht (3) durch zumindest eine Schutzschicht (40) von wenigstens einem ersten Kühlkreislauf (11) getrennt ist.
Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf (11), in dem das erste Kühlmedium (12) zirkuliert, wenigstens einen ersten Kühlkanal (13) umfasst, der zumindest teilweise im Grundkörper (2) angeordnet ist.
Anode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkreislauf (21), in dem das zweite Kühlmedium (22) zirkuliert, wenigstens einen zweiten Kühlkanal (23) umfasst, der zumindest teilweise im Grundkörper (1) angeordnet ist.
Anode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkreislauf (21), in dem das zweite Kühlmedium (22) zirkuliert, wenigstens einen zweiten Kühlkanal (23) umfasst, der außerhalb des Grundkörpers (1) angeordnet ist.
Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die röntgenaktive Schicht (3) Wolfram enthält.
Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit λ ≥ 130 W·m^-1·K^-1 besteht.
Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Vielzahl von ersten Kühlkanälen (13) wenigstens ein erster Kühlkanal (13) zumindest teilweise in einem Abstand (t) von 0,2 mm bis 0,5 mm unter der röntgenaktiven Schicht (3) angeordnet ist.
Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erster Kühlkanal (13) einen Querschnitt (Q) von 0,5 mm·1,0 mm aufweist.
Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Vielzahl von ersten Kühlkanälen (13) die ersten Kühlkanäle (13) in einem Abstand (a') von 0,5 mm zueinander angeordnet sind.
Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlmedium (12) aus wenigstens einem Flüssigmetall besteht.
Anode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmetall Gallium enthält.
Anode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf (11) und der zweite Kühlkreislauf (21) durch zumindest eine Trennschicht (30) voneinander getrennt sind.
Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand der Anode (1) das erste Kühlmedium (12) eine Strömungsgeschwindigkeit v_s ≥ 10 mm/s aufweist.
Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des ersten Kühlmediums (12) im Wesentlichen rechtwinklig zur größeren Ausdehnung der röntgenaktiven Schicht (3) gerichtet ist.
Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Kühlkreislauf (11) eine Verdrängerpumpe (16) angeordnet ist.