DE19650061A1 - Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundstruktur für eine umlaufende Röntgenanode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf umlaufende Röntgenröhren und insbesondere auf neue Targetsubstrate für umlaufende Röntgenanodenanordnungen.

Die Röntgenröhre ist wesentlich geworden bei der medizinischen diagnostischen Bildgebung, der medizinischen Therapie und verschiedenen medizinischen Prüf- und Materialanalysegeweben. Übliche Röntgenröhren sind mit einer um­ laufenden Anodenstruktur gebaut, um die am Brennpunkt er­ zeugte Wärme zu verteilen. Die Anode wird durch einen In­ duktionsmotor gedreht, der einen zylindrischen Rotor, der in eine auskragende Achse gebaut ist, der das scheibenför­ mige Anodentarget trägt, und eine Eisenstatorstruktur mit Kupferwicklungen aufweist, die den langgestreckten Hals der Röntgenröhre umgeben, der den Rotor enthält. Der Rotor der umlaufenden Anodenanordnung, die durch den Stator angetrie­ ben wird, der den Rotor der Anodenanordnung umgibt, ist auf Anodenpotential, während der Stator elektrisch auf Erde be­ zogen ist. Die Kathode der Röntgenröhre liefert ein fokus­ siertes Elektronenbündel, das über der Vakuumstrecke von der Anode zur Kathode beschleunigt wird und beim Aufprall auf die Anode Röntgenstrahlen erzeugt.

In einer Röntgenröhrenvorrichtung mit einer Drehan­ ode weist das Target üblicherweise eine Scheibe auf, die aus einem hochwarmfesten Metall, wie beispielsweise Wolf­ ram, hergestellt ist, und die Röntgenstrahlen werden dadurch erzeugt, daß das Elektronenbündel mit diesem Target kollidiert, während das Target mit einer hohen Drehzahl ge­ dreht wird. Mit hoher Drehzahl umlaufende Anoden können 9000-11000 U/Min. erreichen. Die Rotation des Targets wird dadurch erzielt, daß der Rotor angetrieben wird, der auf einer Halterungswelle vorgesehen ist, die von dem Tar­ get ausgeht.

Die Arbeitsbedingungen für Röntgenröhren haben sich in den letzten zwei Dekaden beträchtlich geändert. US-PS 4 119 621, erteilt am 10. Oktober 1978 und US-PS 4 129 241, erteilt am 12. Dezember 1978, waren beide darauf gerichtet, umlaufende Anoden, die aus Molybdän und Molybdän-Wolfram- Legierungen hergestellt waren, mit Schaften zu verbinden, die aus Columbium und seinen Legierungen hergestellt sind. Fortgesetzte Steigerungen in der zugeführten Energie wäh­ rend des Röhrenbetriebs haben zu einer Änderung in der Tar­ getzusammensetzung zu TZM oder anderen Molybdänlegierungen, zu erhöhtem Targetdurchmesser und -gewicht und auch zu der Verwendung von Graphit als eine Wärmesenke in der Rückseite des Targets geführt. Es ist projektiert, daß zukünftige Computertomographie(CT)-Abtaster bzw. -Scanner in der Lage sein werden, die Abtastzeit von einer 1-Sekunden-Rotation auf eine 0,5-Sekunden-Rotation zu verkürzen. Eine derartige Verkürzung der Abtastzeit wird jedoch recht wahrscheinlich eine Modifikation des derzeitigen CT Anodenaufbaues erfor­ dern. Der gegenwärtige CT Anodenaufbau weist zwei Scheiben auf, die eine aus einem Material mit hohem wärmespeicher­ vermögen, wie beispielsweise Graphit, und die zweite aus einer Molybdänlegierung, wie beispielsweise TZM (Ti-Zr-Mo). Diese zwei konzentrischen Scheiben sind durch ein Hartlöt­ verfahren miteinander verbunden. Eine dünne Schicht aus hochwarmfesten Metall, wie beispielsweise Wolfram oder ei­ ner Wolfram-Legierung, ist zur Bildung einer Brennpunktbahn abgeschieden. Eine derartige zusammengesetzte Substrat­ struktur kann mehr als vier kg wiegen. Bei schnelleren Ro­ tationsgeschwindigkeiten des Scanners werden schwere Tar­ gets nicht nur die mechanische Beanspruchung auf die Lager­ materialien sondern auch eine Brennpunkt-Senkungs- oder Durchbiegebewegung vergrößern, die Bildartefakte verur­ sacht.

Es würde wünschenswert sein, das den gegenwärtigen CT Targetaufbau gegen ein leichtes Substrat auszutauschen, das im thermischen Leistungsvermögen vergleichbar ist.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Kohlenstoff- Kohlenstoff-Verbundmaterial für eine umlaufende Röntgenan­ ode zu schaffen. Weiterhin soll eine derartige Verbund­ struktur geschaffen werden, die Bestandteile und Gewebegeo­ metrien hat, die eine relativ hohe thermische Expansion bzw. Ausdehnung in der in der Ebene liegenden Richtung zur Folge haben, um das Brennpunkt-Spurmaterial aufzunehmen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine derartige Ver­ bundstruktur mit Bestandteilen und Gewebegeometrien zu schaffen, die eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit durch die Dicke zur Folge haben, um Brennpunktspur-Belast­ barkeitserfordernisse zu erfüllen. Schließlich ist es Auf­ gabe der Erfindung, eine derartige Verbundstruktur zu schaffen, die Bestandteile und Gewebegeometrien hat, die eine relativ hohe mechanische Festigkeit zur Folge haben, um Drehbeanspruchungen, wie beispielsweise bei zentralfugal belastenden Vorgängen, auszuhalten.

Erfindungsgemäß werden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Ver­ bundsubstrate für eine umlaufende Röntgenanode mit Bestand­ teilen und Gewebegeometrien geschaffen, die eine relativ hohe thermische Expansion in der in der Ebene liegenden Richtung, um das Brennpunktspurmaterial aufzunehmen, eine hohe thermische Leitfähigkeit durch die Dicke, um Brenn­ punktspur-Belastbarkeitserfordernisse zu erfüllen, und hohe mechanische Festigkeit aufweisen, um Drehbeanspruchungen auszuhalten.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1A ist eine Querschnittsdarstellung von einem bekannten CT Anodentarget;

Fig. 1B ist eine Querschnittsdarstellung von einem CT Anodentarget gemäß der Erfindung;

Fig. 2A ist eine grafische Darstellung von der thermischen Expansion von entwickelten Kohlenstoff-Kohlen­ stoff-Verbundstrukturen gemäß der Erfindung;

Fig. 2B ist eine grafische Darstellung von der thermischen Leitfähigkeit von durchstochenes Gewebe aufwei­ sendem Kohlenstoff-Kohlenstoff gemäß der Erfindung im Ver­ gleich zu bekannten Röntgensubstraten.

Die Erfindung bezieht sich auf umlaufende Röntgen­ röhren, die eine umlaufende Anodenanordnung und eine Katho­ denanordnung verwenden. Zweck der Erfindung ist, das Mate­ rial der Drehanode zu verbessern, um schnellere Scanner-Ro­ tationsgeschwindigkeiten aufzunehmen.

In den Zeichnungen stellt Fig. 1A ein typisches bekanntes CT Anodentarget 10 dar. Die bekannte CT Anode 10 weist zwei Scheiben 12 und 14 auf. Die eine Scheibe 12 ist aus einem Material mit hohem Wärmespeichervermögen, wie beispielsweise Graphit, und die zweite Scheibe ist aus ei­ ner Molybdänlegierung, wie beispielsweise TZM. Diese zwei konzentrischen Scheiben sind durch ein Hartlötverfahren miteinander verbunden. Eine dünne Schicht aus hochwarmfe­ stem Metall, wie beispielsweise Wolfram oder Wolfram-Legie­ rung, ist abgeschieden, um eine Brennpunktspur 16 zu bil­ den. Eine derartige zusammengesetzte Substratstruktur kann mehr als 4 kg wiegen. Bei schnelleren Scanner-Rotationsge­ schwindigkeiten werden schwere Targets nicht nur die mecha­ nische Beanspruchung auf die Lagermaterialien vergrößern, sondern auch eine Brennpunkt-Senk- oder Durchbiegebewegung, die Bildartefakte bewirkt.

Gemäß der Erfindung ist die bekannte Targetkon­ struktion gemäß Fig. 1A durch ein Substrat mit geringerem Gewicht ersetzt, das aber in der thermischen Leistungsfä­ higkeit mit dem bekannten Target vergleichbar ist. Fig. 1B ist eine Querschnittsdarstellung von einem CT Anodentarget 18, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Es ist bekannt, daß Graphitmaterial ein hohes Wärmespeichervermögen und eine kleine Dichte hat. Leider hat es sich als unangemessen für Targets mit größerem Durchmesser erwiesen. Aufgrund der geringen mechanischen Festigkeit von Graphit haben Targets mit größerem Durchmesser die Tendenz, unter der Wirkung der Zentrifugalkraft zu brechen. Erfindungsgemäß werden deshalb andere kohlenstoffhaltige Materialien, wie beispielsweise Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien, bevorzugt. Diese Materialien, mit richtig zugeschnittenen thermophysi­ kalischen und mechanischen Eigenschaften, können die gegen­ wärtigen CT Anodentargets 10 ersetzen.

In Fig. 1B ist das Anodentarget 18 aus einer Koh­ lenstoff-Kohlenstoff-Verbundstruktur 20 gebildet. Eine dünne Schicht aus hochwarmfesten Metall, wie beispielsweise Wolfram oder einer Wolfram-Legierung, ist abgeschieden, um eine Brennpunktspur 16 wie in Fig. 1A zu bilden. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundstrukturen besitzen eine einzigartige Kombination von mechanischen und thermischen Eigenschaften einschließlich eines hohen Festig­ keit/Gewicht-Verhältnisses, Festigkeits-Retention und Kriechwiderstand über einem breiten Temperaturbereich, Wi­ derstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock, hohe Zä­ higkeit und hohe thermische Leitfähigkeit.

Jedoch ist ein Nachteil der eine hohe Festigkeit und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisenden Kohlen­ stoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien der kleine thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) im Vergleich zu demjenigen von Wolfram oder Wolfram-Legierungen. Die Fehlanpassung der thermischen Expansion zwischen dem Kohlenstoff-Kohlenstoff- Verbundsubstrat und der der Brennpunktspur des Targets könnten starke Bearbeitungs- oder Servicebeanspruchungen und eine nachfolgende Absplitterung der Brennpunktspur­ schicht zur Folge haben. Gemäß der Erfindung sind deshalb Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundsubstrate 20 mit Bestandtei­ len und Gewebegeometrien entwickelt worden, die eine rela­ tiv hohe thermische Expansion in der in der Ebene liegenden Richtung zur Folge haben, um das Brennpunktspurmaterial, eine hohe thermische Leitfähigkeit durch die Dicke, um die Belastbarkeitserfordernisse der Brennspur zu erfüllen, und hohe mechanische Festigkeit anzunehmen, um Drehbeanspru­ chungen auszuhalten.

Die durch die Dicke hindurch bestehende hohe Leit­ fähigkeit des Substrats gemäß der Erfindung wird durch einen hohen Faservolumenanteil von eine hohe Festigkeit und hohe Moduln aufweisenden Fasern erreicht. Geeignete Mate­ rialien enthalten beispielsweise Amaco P-120 oder K-1100 Produkte auf Pechbasis (pitch based Produkte). In Dampf ge­ wachsene Kohlenstoff-Faser (VGCF von vaper grown carbon fiber) mit einer thermischen Leitfähigkeit von mehr als 1500 W/m K mit einer hohen Festigkeit und Steifigkeit ist ein alternatives Material für die Verstärkung in z-Rich­ tung.

Um die Fehlanpassung des Expansionskoeffizienten zwischen Wolfram und Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmate­ rialien zu verringern, wurden Rayon-Vorläufermaterialien, wie beispielsweise kontinuierliche Fasern oder Gewebe, ge­ testet bezüglich der in der Ebene liegenden Richtung. Eine Faser auf Rayon-Basis hat relativ kleine Festigkeit, ela­ stische Moduln und thermische Eigenschaften. Dies sind üb­ licherweise Parameter, die ein Material mit hoher Expansion zur Folge haben. Ein Kohlenstoff-Gewebe, das aus einem Ra­ yon-Vorläufergewebe hergestellt ist, bietet auch einen re­ lativ hohen Ausdehnungskoeffizienten.

Gemäß der Erfindung wurden mehrere Kohlenstoff-Koh­ lenstoff-Verbundsubstrate hergestellt und bewertet. Ein besseres Verständnis der Erfindung wird aus den folgenden Beschreibungen von zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundbei­ spielen mit sehr verheißungsvollen thermischen und mechani­ schen Eigenschaften gewonnen. Das erste Substrat ist eine 4-D Gewebearchitektur mit einer eine hohe Leitfähigkeit aufweisenden P-120 Kohlenstoff-Faser in der z-Richtung und Polycarbon G-5 Faser in der x-y Richtung. Die zweite ge­ webte Architektur weist eine hohe Ausdehnung aufweisende Amaco WCA Stoffschichten auf, die mit P-120 Fasern durch­ drungen sind. Um eine hohe mechanische Integrität zu erhal­ ten, waren die Gewebeschichten vor der Durchdringung in verschiedene Winkel gedreht, um eine 5-D Struktur zu bil­ den. Die Architekturen von beiden Kohlenstoff-Kohlenstoffen weist einen 60% Faservolumenanteil von P-120 Faser auf, um eine hohe thermische Leitfähigkeit in der z-Richtung zu erhalten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er­ findung wurden durch Tränkungs-, Carbonisierungs- und Gra­ phitisierungsverfahren beide Faser-Vorformen verdichtet zu Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundformen mit einer Dichte von etwa 1,85.

Um sicherzustellen, daß die thermische Leistungsfä­ higkeit von diesen Verbundmaterialien geeignet ist, wurden thermische Leitfähigkeits- und CTE-Tests durchgeführt, und die Ergebnisse sind in den Fig. 2A und 2B dargestellt. Fig. 2A stellt die gemessenen CTE Daten für die in der Ebene liegende Richtung zusammen mit den Werten für ein ty­ pisches Kohlenstoff-Kohlenstoff-Material dar. Das 4-D Mate­ rial ist durch die Linie 22 dargestellt, und das durchdrun­ gene Gewebematerial ist durch die Linie 24 dargestellt. Es kann gesehen werden, daß die entwickelten Zusammensetzun­ gen, insbesondere das aus WCA Gewebe gefertigte Material entlang der Linie 24, viel stärker expandieren als die ty­ pischen gewebten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Materialien, die durch die Linie 26 dargestellt sind und die aus PAN oder Pechvorläufer-Kohlenstoff-Fasern hergestellt sind.

Die thermische Leitfähigkeit des 4-D Materials wurde nur bei Raumtemperatur und für die z-Richtung gemes­ sen und war vergleichbar mit derjenigen von dem durchdrun­ genen Gewebe. Die thermische Leitfähigkeit des durchdrunge­ nen Gewebes wurde für beide Richtungen in einem Temperatur­ bereich von 20°C bis 1500°C gemessen und ist in Fig. 2B dargestellt. Fig. 2B verdeutlicht, daß die durch die Dicke bestehende Leitfähigkeit, entlang der Linie 28, des durch­ drungenen Gewebes etwa drei mal größer ist als diejenige von Graphit entlang der Linie 30; und die in der Ebene er­ folgende Leitfähigkeit entlang der Linie 32 ist verbleich­ bar mit Graphit entlang der Linie 30. Weiterhin ist die durch die Dicke bestehende Leitfähigkeit größer als dieje­ nige von hochwarmfesten Legierungen, die in dem gegenwärti­ gen CT Target verwendet werden, wie es durch die Linien 34 und 36 angegeben ist.

Um die Fähigkeit der entwickelten Zusammensetzun­ gen, Drehkräften zu widerstehen, zu ermitteln, wurden Drehtests bis zu 20.000 U/Min. mit Scheiben durchgeführt, die einen Durchmesser von 150 mm hatten. Beide Materialien durchliefen den Test erfolgreich.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele für Kohlenstoff-Kohlenstoff-Zusammensetzungen für CT Tar­ gets möglich. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundtargets, die gemäß der Erfindung gefertigt worden sind, haben eine vergleichbare oder bessere Leistungsfähigkeit und 50% Ge­ wichtssenkung im Vergleich zu bestehenden CT Röhren-Target­ produkten.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoff- Kohlenstoff-Verbundmaterialien zur Verwendung bei der Fer­ tigung von Röntgenröhrentargets, dadurch gekennzeichnet, daß physikalische Eigenschaften von Kohlenstoff-Kohlen­ stoff-Verbundmaterialien maßgeschneidert werden, um eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit durch die Scheibendicke des Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials und einen ho­ hen Ausdehnungskoeffizienten für eine in der Ebene liegende Richtung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundscheibe zu er­ zielen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundscheibe eine hohe mechanische Festigkeit aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundscheibe Bestandteile und Gewebegeometrien aufweist, die eine rela­ tiv hohe thermische Ausdehnung in der in der Ebene liegen­ den Richtung zur Folge haben, um ein Brennpunktspurmaterial aufzunehmen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundscheibe Bestandteile und Gewebegeometrien aufweist, die eine rela­ tiv hohe thermische Leitfähigkeit durch die Scheibendicke zur Folge haben, um Brennpunktspur-Belastbarkeitserforder­ nisse zu erfüllen.