DE19626094C2 - Anodenkörper für eine Röntgenröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Anodenkörper für eine Röntgen­ röhre, welcher einen Grundkörper und einen mit diesem verbun­ denen Abschnitt eines röntgenemissiven Materials aufweist.

Derartige, beispielsweise aus der DE 17 89 048 B2 bekannte Anodenkörper finden insbesondere in Drehanoden-Röntgenröhren Verwendung. In Hochleistungs-Röntgenröhren muß ein solcher Anodenkörper eine hohe Wärmekapazität, eine hohe Fähigkeit zur Wärmeabstrahlung und ein geringes Massenträgheitsmoment aufweisen.

Bekannte Anodenkörper der eingangs genannten Art weisen daher einen aus Graphit gebildeten Grundkörper und ein hochschmel­ zendes metallisches Target, und zwar vorzugsweise aus TZM (mit geringen Mengen Wolfram (Tungsten) und Zirkon legiertes Molybdän), auf, mit welchem Target eine Schicht eines rönt­ genemissiven Materials, das z. B. im wesentlichen Wolfram und Rhenium enthält, verbunden ist. Dabei wird Graphit als Mate­ rial für den Grundkörper deshalb verwendet, weil Graphit eine geringe Dichte, gute Fähigkeit zur Wärmeabstrahlung und eine hohe Wärmekapazität aufweist.

Außerdem sind aus Patents Abstracts of Japan. E-427, 1986, Vol. 10, No. 233. JP 61-66 349 A und Patents Abstracts of Ja­ pan. E-640, 1988, Vol. 12, No. 277. JP 63-55 841 A Anodenkör­ per bekannt, deren Grundkörper als aus Graphit- und Silizium­ karbidschichten zusammengesetzte Verbundkörper ausgeführt sind.

Grundkörper, die aus Graphit gebildet sind bzw. in aus den beiden vorgenannten Druckschriften bekannter Weise Graphit­ schichten enthalten, haben jedoch die unangenehme Eigen­ schaft, daß sie selbst nach sorgfältiger Reinigung Graphitpartikel abgeben, und zwar auch noch nach erfolgtem Einbau des Anodenkörpers in die Röntgenröhre. Die Anwesenheit von losen Graphitpartikeln im Vakuumgehäuse einer Röntgen­ röhre gefährdet jedoch deren Hochspannungsfestigkeit.

In Patents Abstracts of Japan. E-1102, 1991, Vol. 15, No. 326. JP 3-12 29 55 A ist ein Anodenkörper beschrieben, dessen aus Graphit gebildeter Grundkörper mit Siliziumkarbid be­ schichtet ist. Weiter ist es aus der US 3 887 723 bekannt, einen Grundkörper aus Graphit mit Niob-, Tantal-, Titan- oder Zirkoniumkarbid zu beschichten. Außerdem ist es aus der DE 31 34 196 A1 bekannt, einen Grundkörper aus Graphit mit einer Beschichtung aus pyrolytischem Kohlenstoff zu versehen. Aus der DE 41 32 118 C1 ist es bekannt, einen Grundkörper aus Graphit mit einer Beschichtung aus einem metallischen Lot, z. B. Zirkon, Niob, Vanadium oder Hafnium zu versehen. Die Be­ schichtung des Grundkörpers ist jeweils vorgesehen, um die Abgabe von Graphitpartikeln zu vermeiden, führt jedoch zu einem erhöhten technischen und finanziellen Aufwand.

Aus der US 5 031 201 ist ein Anodenkörper bekannt, dessen Grundkörper aus einer Keramikmatrix, z. B. Siliziumkarbid, ge­ bildet ist, in die Keramikfasern, z. B. Siliziumkarbid, einge­ bettet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Anoden­ körper der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf einfache und kostengünstige Weise die Gefahr der Beeinträch­ tigung der Hochspannungsfestigkeit einer den Anodenkörper enthaltenden Röntgenröhre zumindest vermin­ dert ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen An­ odenkörper für eine Röntgenröhre, welcher einen Grundkörper, der aus kristallinem, mehrere chemische Elemente enthalten­ dem, ausschließlich kovalent gebundenem, nichtmetallischem Material gebildet ist, und eine mit dem Grundkörper verbunde­ nen Schicht eines röntgenemissiven Materials aufweist. Dabei besteht deshalb eine geringere Gefahr der Beeinträchtigung der Hochspannungsfestigkeit von erfindungsgemäße Anodenkörper enthaltenden Röntgenröhren, weil die Atome des Materials des Grundkörpers infolge der kovalenten Bindung stabile drei­ dimensionale Kristallgitter bilden, die eine Partikelabgabe praktisch unmöglich machen. Demgegenüber handelt es sich bei der Kristallstruktur von Graphit um ein Kohlenstoff-Schicht­ gitter, bei dem nur innerhalb der Schichten kovalente Bin­ dungen und somit entsprechend hohe Bindungskräfte zwischen den Atomen vorliegen, während senkrecht zu den Schichtebenen nur schwache von der Waals-Bindungen vorherrschen. Dies be­ dingt eine sehr leichte Spaltbarkeit von Graphit längs der Schichtebenen und damit eine hohe Neigung zur Partikelabgabe.

Wenn vorstehend die Rede davon ist, daß das Material des Grundkörpers ausschließlich kovalent gebunden ist, so ist hierunter zu verstehen, daß im wesentlichen ausschließlich kovalente Bindungen vorliegen. An Fehlerstellen im Kristall­ gitter sowie an Korngrenzen und dergleichen können aber sehr wohl andere als kovalente Bindungen vorliegen.

Zwischen der Schicht des röntgenemissiven Materials und dem Grundkörper kann ein Target aus einem hochschmelzenden Mate­ rial vorgesehen sein, das einerseits die Schicht trägt und andererseits fest mit dem Grundkörper verbunden ist. Das Tar­ get weist eine Dicke auf, die wenigstens im mm-Bereich liegt, während es genügt, wenn die Dicke der Schicht röntgenemissi­ ven Materials wenigstens gleich der Eindringtiefe der zur Röntgenstrahlenerzeugung auf den Anodenkörper auftreffenden Elektronen ist. Die Schicht des röntgenemissiven Materials kann aber auch unmittelbar auf dem Grundkörper vorgesehen sein. Dabei bietet die Anbringung der Schicht direkt auf dem Grundkörper gegenüber der Anbringung auf einem zusätzlichen Target den Vorteil einer nochmals verringerten Masse des Anodenkörpers.

Gemäß einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß der Grundkörper aus einem Material gebildet ist, dessen Strah­ lungsemissionskoeffizient und Wärmekapazität die entsprechen­ den Werte von Graphit nicht wesentlich unterschreiten und dessen Dichte die von Graphit nicht wesentlich übersteigt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß sich der erfindungs­ gemäße Anodenkörper, abgesehen von seiner geringeren Neigung zur Partikelabgabe, hinsichtlich seiner Eigenschaften nicht wesentlich von einem herkömmlichen Anodenkörper unterschei­ det, dessen Grundkörper aus Graphit gebildet ist.

Als Materialien für den Grundkörper sind gemäß einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung ein Material der Gruppe Borkarbid (B₄C), Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si₃N₄) vorge­ sehen. Diese Materialien sind hochschmelzend, zeigen eine ge­ ringe Dichte und hohe Wärmekapazität. Die Strahlungsemis­ sionskoeffizienten übertreffen sogar die von Graphit. Außer­ dem lassen sich diese Materialien zu paßgenauen, hochdichten Sinterkörpern verarbeiten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeich­ nungen näher erläutert. es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Anodenkörper in schemati­ scher Darstellung im Längsschnitt,

Fig. 2 in Form eines Diagrammes die Strahlungsemissions­ koeffizienten verschiedener zur Herstellung erfin­ dungsgemäßer Anodenkörper geeigneter Stoffe im Ver­ gleich zu Graphit, und

Fig. 3 in zu der Fig. 1 analoger Darstellung einen weite­ ren erfindungsgemäßen Anodenkörper.

Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Anodenkörper einer Röntgen­ röhre handelt es sich um den Anodenkörper einer Drehanode, der rotationssymmetrisch zu seiner Mittelachse M ausgebildet ist und eine zentrale Bohrung aufweist, die zur Aufnahme der Welle der Drehanode dient.

Der Anodenkörper weist in an sich bekannter Weise einen Grundkörper 1 auf, der durch Löten mit einem Target 2 verbun­ den ist, das aus einem hochschmelzenden Material, nämlich einer Legierung gebildet ist, die als wesentliche Bestand­ teile Molybdän und Wolfram enthält. Das Target 2 weist eine im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels kegelstumpf­ förmige Auftrefffläche auf, auf die im Betrieb der Röntgen­ röhre der von deren Kathode ausgehenden Elektronenstrahl auf­ trifft. Im Bereich dieser Auftrefffläche ist das Target 2 durch ein geeignetes Verfahren, beispielsweise ein an sich bekanntes PVD (Physical Vapor Deposition)- oder CVD (Chemical Vapor Deposition)-Verfahren, mit einer Schicht 3 einer Legierung, versehen, die im wesentlichen Wolfram und Rhenium enthält. Während es genügt, wenn die Dicke der Schicht röntgenemissiven Materials wenigstens gleich der Eindringtiefe (µm-Bereich) der zur Röntgenstrahlenerzeugung auf den Anodenkörper auftreffenden Elektronen ist, weist das Target eine Dicke auf, die wenigstens im mm-Bereich liegt.

Der Grundkörper 1 ist aus einem kristallinen, mehrere chemi­ sche Elemente enthaltenden, ausschließlich kovalent gebunde­ nen nichtmetallischen Material gebildet.

Vorzugsweise ist der Anodenkörper, bei dem es sich im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels um einen Sinterkörper handelt, aus einem Material gebildet, das wenigstens einen Stoff der Gruppe Borkarbid, Siliziumkarbid und Siliziumnitrid enthält.

In der Regel wird das Material des Anodenkörpers nur einen Stoff der genannten Gruppe enthalten. Insbesondere im Falle der Ausbildung des Anodenkörpers als Sinterkörper ist es je­ doch ohne weiteres auch möglich, vorzusehen, daß das Material des Grundkörpers mehrere Stoffe, insbesondere auch Stoffe der genannten Gruppe, enthält. Dies läßt sich dann leicht reali­ sieren, indem der Anodenkörper aus einem Gemisch von Körnern dieser Stoffe gesintert wird.

Wie aus der Tabelle 1 in Verbindung mit Fig. 2 ersichtlich ist, unterschreiten die Strahlungsemissionskoeffizienten der Stoffe der genannten Gruppe (gemessen bei 100°C bzw. im Be­ reich um 100°C) die entsprechenden Werte von Graphit nicht nur nicht, sondern übersteigen diese sogar. Weiter wird aus Tabelle 1 deutlich, daß die Wärmekapazitäten (gemessen bei 500°C) der Stoffe der genannten Gruppe die entsprechenden Werte von Graphit nicht wesentlich unterschreiten. Außerdem zeigt Tabelle 1, daß die Dichten der Stoffe der genannten Gruppe die von Graphit nicht wesentlich übersteigen.

Es wird also deutlich, daß der erfindungsgemäße Anodenkörper hinsichtlich seiner maßgeblichen Eigenschaften einem Anoden­ körper mit einem Grundkörper aus Graphit wenigstens im we­ sentlichen gleichkommt, jedoch keine nennenswerte Neigung zur Partikelabgabe aufweist.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, kann das Target 2 auch entfallen. Die Schicht 3' des röntgenemissiven Materials ist dann unmittelbar auf dem Grundkörper 1' durch ein geeignetes Verfahren, beispielsweise ein an sich bekanntes PVD (Physical Vapor Deposition)- oder CVD (Chemical Vapor Deposition)-Ver­ fahren, aufgebracht. Auch der Grundkörper 1' ist aus einem kristallinen, mehrere chemische Elemente enthaltenden, aus­ schließlich kovalent gebundenen und nichtmetallischen Mate­ rial gebildet, das wenigstens einen Stoff der Gruppe Borkar­ bid, Siliziumkarbid und Siliziumnitrid enthält.

Da die Dichte dieser Stoffe (s. Tabelle 1) deutlich geringer als die von TZM (ρ = 10 g/cm³)oder anderen als Targetmaterial geeigneten hochschmelzenden Metallen ist, ergibt sich gegen­ über dem Anodenkörper gemäß Fig. 1 eine deutliche Gewichts­ einsparung.

Im Zusammenhang mit Drehanoden-Röntgenröhren macht sich dies in einer verkürzten Hochlaufzeit bis zum Erreichen der Nenn­ drehzahl und einer verringerten Belastung der zur drehbaren Lagerung der Drehanode vorgesehenen Lager positiv bemerkbar. Wird eine einen Anodenkörper gemäß Fig. 3 enthaltende Rönt­ genröhre in einem Computertomographen eingesetzt - hier wird die Röntgenröhre bekanntermaßen auf einer Kreisbahn um den Patienten herumbewegt - ist eine deutliche Erhöhung der Um­ laufgeschwindigkeit möglich, ohne daß dies infolge der dabei wirkenden Kreiselkräfte zu unzulässigen Lagerbelastungen führt. Im Zusammenhang mit der Computertomographie kommt hinzu, daß sich durch die Gewichtsverringerung des Anoden­ körpers mit verringertem Aufwand gewährleisten läßt, daß die infolge elastischer Verformung der Lagerungswelle des Anoden­ körpers und der Lager auftretenden Verkippungen des Anoden­ körpers im zulässigen Bereich bleiben und somit keine unzu­ lässige Verlagerung des Fokus der Röntgenstrahlung nach sich ziehen.

Um im Falle des Anodenkörpers gemäß Fig. 3 den Fluß des Röh­ renstromes über die in die zentrale Öffnung des Anodenkörpers eingesetzte, nicht dargestellte Lagerungswelle zu ermögli­ chen, ist die Wandung der Öffnung dadurch mit einer Leiter­ bahn 4 versehen, daß bei der Beschichtung der Auftrefffläche mit dem röntgenemissiven Material auch die Wandung der Öff­ nung mit diesem Material beschichtet wurde. - Eine derartige Maßnahme ist übrigens im Falle des Anodenkörpers gemäß Fig. 1 nicht erforderlich, sofern dessen Target 2 aus einem Material ausreichender elektrischer Leitfähigkeit (z. B. TZM) gebildet ist.

Die Leiterbahn 4 kann auch durch eine Schicht eines von dem röntgenemissiven Material verschiedenen Materials gebildet sein, sofern sichergestellt ist, daß die Leiterbahn 4 in elektrisch leitender Verbindung mit der Schicht 3' steht.

Bei den Anodenkörpern gemäß den vorstehend beschriebenen Aus­ führungsbeispielen handelt es sich um die Anodenkörper von Drehanoden; es können aber auch Anodenkörper für Festanoden erfindungsgemäß ausgebildet werden.

Tabelle 1

Claims (5)

1. Anodenkörper für eine Röntgenröhre, welcher einen Grund­ körper (1), der aus kristallinem, mehrere chemische Elemente enthaltendem, ausschließlich kovalent gebundenem, nichtmetal­ lischem Material gebildet ist, und eine mit dem Grundkörper verbundene Schicht (3) eines röntgenemissiven Materials auf­ weist.

2. Anodenkörper nach Anspruch 1, bei dem zwischen der Schicht (3) des röntgenemissiven Materials ein Target (2) vorgesehen ist, das einerseits die Schicht (3) trägt und andererseits fest mit dem Grundkörper (1) verbunden ist.

3. Anodenkörper nach Anspruch 1, bei dem die Schicht (3) des röntgenemissiven Materials unmittelbar auf dem Grundkörper vorgesehen ist.

4. Anodenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Grundkörper (1) aus Material gebildet ist, dessen Strahlungs­ emissionskoeffizient und Wärmekapazität die entsprechenden Werte von Graphit nicht wesentlich unterschreiten und dessen Dichte die von Graphit nicht wesentlich übersteigt.

5. Anodenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen Grundkörper (1) aus einem Material gebildet ist, das wenig­ stens einen Stoff der Gruppe Borkarbid (B₄C), Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si₃N₄) enthält.