DE2354518A1 - Target aus einer molybdaenlegierung fuer roentgenroehren zur mammographischen verwendung - Google Patents

Description

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A,

Target aus einerMolybdänlegierung für Röntgenröhren zur mammo-r

graphischen Verwendung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Mammographie. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Röntgenröhre sowie deren zur Mammographie verwendete Anode. .

Die Gewebemenge der weiblichen Brust, durch die Röntgenstrahlen hindurchgehen, ist im allgemeinen sehr viel geringer als bei anderen Körperteilen. Da in der Brust keine Knochen vorhanden sind, ist es nicht erforderlich und es ist auch nicht erwünscht, einen so energiereichen Strahl zum Durchdrxngen der Brust anzuwenden wie für Knochengewebe. Daher ist es im Bereich der diagnostischen Mammographie im allgemeinen erwünscht, geringere Spannungen, verglichen mit üblichen diagnostischen Röntgenstrahltechniken, anzuwenden. Die Verwendung geringerer Energie führt

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zu einem größeren Kontrast zwischen Fett und weichem Gewebe (soft tissue), und es ist gerade ein solcher Kontrast, der zur Erreichung eines optimalen Mammogramms erforderlich ist.

Die meisten medizinischen diagnostischen Röntgenstrahltechniken verwenden große Mengen sogenannter "harter" Strahlung, d.h. einer Röntgenstrahlung, die eine größere Durchdringungskraft hat als sogenannte "weiche" Röntgenstrahlung. Für solche Anwendungen ist Wolfram ein ideales Anoden-Target, in erster Linie wegen seiner hohen Atomzahl und seines hohen Schmelzpunktes. Um jedoch diese harte Strahlung zu erhalten und die für Wolfram charakteristischen K^- und K_ß-Linien anzuregen, sind mindestens 70 kV Spannung erforderlich. ■

Die Mammographie als eine spezielle medizinische Diagnosetechnik erfordert spezielle Technik'en der Bestrahlung, der Bestrahlungszeit und eine außergewöhnliche Röntgenfilmqualität und Detailwiedergabe. Die Anwendung geringerer Spannungen ist ein Mittel, um die in der Mammographie erforderliche feine Filmqualität und Detailwiedergabe zu erreichen. Bei Anwendung harter Röntgenstrahlung wird die diagnostische Qualität des bestrahlten Films wegen der kostspieligen Kontrastverringerung stark verringert.

Das kontinuierliche und charakteristische Röntgenstrahlspektrum der meisten Metalle und Materialien ist^Nbekannt. Die charakteristischen Linien eines Target-Materials werden bei einer bestimmten Minimalspannung angeregt. Die für die Erzeugung des charakteristischen Spektrums erforderliche Spannung ändert sich regelmäßig mit der Atomnummer des" Metalls. Verglichen mit der charakteristischen Wolfram-Kr-Linie wird die charakteristische Molybdänbei einer Minimalspannung von 20 kV angeregt.

Die Verwendung von Molybdän anstelle von Wolfram für die Mammographie ist daher vorteilhaft, da man bereits bei geringeren Span , nungen die intensive charakteristische Molybdänstrahlung erhält, die bei diesen Spannungen bei Wolfram nicht angeregt werden kann.

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Entsprechend den mammographischen Techniken ist es im allgemeinen erforderlich, eine relativ große Zahl von Milliampere-Sekunden (nachfolgend mAs genannt) für die Bestrahlung anzuwenden. In Abhängigkeit von der Gpöße der Brust kann die angewendete mAs-Zahl von einigen hundert mAs bis über IQOO mAs variieren. In Anbetracht der hohenmAs-Werte ist es im allgemeinen sehr erwünscht, die Röntgenröhre, beim Maximalstrom zu betreiben, um die Bestrahlungszeiten des Patienten so kurz wie möglich zu halten.

Wegen der in der Mammographie angewendeten hohen mAs-Zahlen ist die Oberfläche der Elektronenspur eines Molybdän-Targets schweren mechanischen- Belastungen ausgesetzt. Diese mechanischen Belastungen führen zu Oberflächenbrüchen in der Brennspur des Targetbereiches.. Die Deformation der Targetoberfläche, die durch die Brüche verursacht wird, führt zu· einem merklichen Abfall der ausgesandten.Röntgenstrahlintensität, da die Wahrscheinlichkeit, daß ein Röntgenphoton aus dem Target entweichen wird, für eirie rauhe Targetoberfläche merklich geringer ist als für eine glatte Oberfläche. Die Anfälligkeit eines Molybdän-Targets- für Oberflächenbrüche im Brennspurbereich ist größer als die des Wolframs.

Die Metallurgen haben auf verschiedene Weise versucht, das Problem der Oberflächenbrüche von Röntgenstrahl-Targets zu lösen. So ist in der US-Patentschrift 3 650 846 ein Verfahren zum Wiederherstellen der Kornstruktur von hochschmelzenden Metallen beschrieben, bei dem die Übergangstemperatur von der Duktilität zur Brüchigkeit verringert wird, wodurch die Tendenz zu Oberflächen_brüchen unter mechanischen Belastungen wie sie durch die Anwendung hoher mAs und ähnlichem verursacht werden_s vermindert wird.

Wegen der mit der Anwendung eines Molybdän-Targets für die Mammographie verbundenen Vorteile wäre es von großem Vorteil, wenn'man die Gebrauchsdauer von Molybdän-Targets verlängern könnte.

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung i'st die Schaffung eines Rö-ntgenstrahl-Targeta,- das im wesentlichen Molybdän um-

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faßt, wobei dieses Target hervorragende Eigenschaften hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber mechanischen Belastungen haben soll, die von aufschlagenden energiereichen Elektronen herrühren. Spezifischer ausgedrückt ist es eine Aufgabe, eine Röntgenstrahl-Anode aus einer Molybdän/Wolfram-Legierung zu schaffen. Wird diese Legierung bei niedrigen Spannungen eingesetzt, ergibt sie das kontinuierliche und charakteristische Molybdän-Röntgenspektrum. Die Legierung weist unerwarteterweise verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Duktilität bei geringen Temperaturen, der Beständigkeit gegen thermische Ermüdung und eine 'erhöhte Festigkeit bei hohen Temperaturen auf, verglichen mit einem reinen Molybdän-Target .

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Röntgenstrahl-Anode zu schaffen, die eine Legierung aus Molybdän und Wolfram umfaßt. Die Legierung ist eine feste Lösung mit hervorragender Festigkeit, verglichen mit Molybdän, sowohl bei Zimmer- als auch bei erhöhten Temperaturen. Die Korngröße ist geringer, verglichen mit reinem Molybdän und die Atome der Legierung liegen in der festen Lösung mehr in Gruppen als in einer kurz aufeinanderfolgenden Reihe von Atomen vor.

Ein Verfestigen der festen Lösung, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, ist von Bedeutung, da die für die Mammographie erforderlichen Bestrahlungen relativ lange dauern. Dieses Verfestigen macht die Anode beständiger gegem Hochtemperaturermüdung, während sie dem Aufprall hoch-energiereicher Elektronen ausgesetzt ist.

Die Verringerung der Korngröße führt zu einer geringeren Temperatur des Übergangs von Duktilität zu Brüchigkeit und ergibt eine größere Duktilität bei und oberhalb von Raumtemperatur, wenn der Elektronenstrahl auf das anfänglich kalte Target der Anode auftrifft. Eine eingehendere Erläuterung der Temperatur des Übergangs von Duktilität zu Brüchigkeit kann der US-Patentschrift 3 65O 846 entnommen werden. Die Verringerung der Temperatur des Übergangs von Duktilität zu Brüchigkeit führt zu einer beträcht-

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lichen Verringerung der Oberflächenbrüche der Anode und insbesondere des Targetbereiches. Die Vermeidung von Brüchen ist sehr erwünscht, da solche Brüche eine merkliche Verringerung der abgegebenen Röntgenstrahlintensität verursachen.

Die gruppenweise'Anordnung von Atomen ist erwünschter als eine Anordnung in kurzen Abständen, da die Legierung im ersteren Falle eine erhöhte Festigkeit bei hohen Temperaturen durch Verfestigung des Gelösten und durch Schaffung einer verbesserten Dislokations-Beweglichkeit zeigt und demgemäß eine erhöhte Duktilität bei geringen Temperaturen, da die Anhäufung des Gelösten eine Entfernung der Zwischengittefelemente aus der Matrix verursacht. D.h. die erhöhte Duktilität ist ein direktes Ergebnis der verminderten Zwischengitterelemente innerhalb der Körner (besonders Kohlenstoff und Sauerstoff), die bekannterweise die Temperatur des Übergangs von der Duktilität zur Brüchigkeit drastisch erhöhen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Röntgenröhre für mammographische Anwendung mit einem drehbaren metallischen Anodenkörper und einem unbedeckten Targetbereich sowie einer Einrichtung zur Erzeugung von Elektronen zum Aufprallen auf dem Targetbereich der Anode unter Erzeugung einer Röntgenstrahlemission, wobei die Ariode die beschriebene Legierung umfaßt.

Eine weitere Aufgabe ist die Ausführung der obigen Verbesserungen in einer billigen und wirtschaftlichen Weise.

Erfindungsgemäß werden die obigen und andere Aufgaben durch die Schaffung einer Röntgenstrahl-Anode gelöst, die eine Legierung von etwa 95 bis etwa 65 % Molybdän und von etwa 5 bis etwa 35 % (diese und alle folgenden sind Gew.-%) Wolfram umfaßt. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Legierung im wesentlichen aus etwa 70 % Molybdän und etwa 30 % Wolfram. Die Herstellung der Legierung kann nach bekannten Verfahren erfolgen und ist als solche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

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Es ist nicht erforderlich, daß die gesamte Anode aus der Molybdän/ Wolfram-Legierung besteht. So kann z.B._s wie in rotierenden Anoden, mindestens der Targetbereich oder die Brennspur im wesentlichen aus der erfindungsgemäßen Legierung bestehen, während die Basis andere geeignete Materialien, wie Wolfram, Molybdän und ähnliche, umfassen kann. Die Verfahren zur Herstellung von Anoden für Röntgenröhren sind bekannt und bedürfen daher keiner ausführlichen Erörterung.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Röntgenröhre geschaffen, die angepaßt ist für Mammographieanwendungen und die einen metallischen Anodenkörper umfaßt mit einem ungeschützten Targetbereich sowie einer Einrichtung, wie einer Kathode, zur Erzeugung eines Elektronenstrahls für das Aufprallen auf den Targetbereich unter Erzeugung geeigneter Röntgenstrahlen für diagnostische Mammographie. Erfindungsgemäß umfaßt der Anodenkörper oder mindestens der Targetbereich des Anodenkörpers eine Legierung aus Molybdän und etwa 5 bis 35 % Wolfram. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Legierung im wesentlichen aus etwa 70 % Molybdän und etwa 30 % Wolfram.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung in relativen Einheiten, aufgetragen gegen die Zahl der Bestrahlungen in Tausend und

Fig. 2 ebenfalls eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung der Röntgenröhre in relativen Einheiten gegen die Zahl der Bestrahlungen in Tausend.

Beispiel 1

Ein reines Molybdän-Target wurde kontinuierlich einem Elektronenstrahl ausgesetzt, um eine Röntgenstrahlung für mammographische Anwendungen unter den folgenden Bedingungen zu erzeugen: 40 kV Spitzenspannung, 300 mA und 2,5 Sekunden dauernde Bestrahlungen.

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Es wurden zwei BeStrahlungen/Minute durchgeführt und dabei 60 000 Hitzeeinheiten/Minute erzeugt. Die Zahl der Hitzeeinheiten/Minute (nachfolgend H genannt), ist definiert als das Produkt der Spitzenspannung in kV, die zwischen Anode und Kathode angelegt wurde (nachfolgend kVp genannt), des Stromes in mA, der Bestrahlungszeit t und der Zahl η der Bestrahlungen/Minute während einer Erprobung.
H = (kVp) · (mA) · (t) * (n)

Ein Molybdän/Wolfram-Legierungs-Target,' das im wesentlichen aus 70 % Molybdän und 30 % Wolfram bestand, wurde unter den gleichen Bedingungen bestrahlt. "

Die Ergebnisse der Strahlungsdaten sind in Fig. 1 aufgetragen. Die Daten der Röntgenstrahlen-Ausgangsleistung sind aufgetragen als %, zu denen sie sich von dem ursprünglichen Röntgenwert/Minute verringertes gegen die Zahl der Bestrahlungen, die mit der Röhre während der Erprobung durchgeführt wurden. In allen Fällen wurden die Daten unter Verwendung eines Filters erhalten, das 0,5 mm Aluminium äquivalent war, da ein solches Filter im allgemeinen bei allen mammographischeη Anwendungen eingesetzt wird.

Beispiel 2

Ein reines Molybdän-Target wurde kontinuierlich einem Elektronenstrahl ausgesetzt, um.eine Röntgenstrahlung für mammographis ehe Anwendungen unter den folgenden Bedingungen zu erzeugen: 40 kV Spitzenspannung, 300 mA, 2,5 Sekunden dauernde Bestrahlungen. Es wurde eine Bestrahlung/Minute ausgeführt und dabei 30 000 Hitzeeinheiten/Minute erzeugt.

Ein Molybdän/Wolfram-Legierungs-Target, das im wesentlichen aus 70 % Molybdän und 30 % Wolfram bestand, wurde unter den gleichen Bedingungen bestrahlt.

Die Strahlungsergebnisse sind in gleicher Weise wie in Beispiel 1 in der Fig. 2 aufgetragen. Wie in Beispiel 1 wurde ein Filter verwendet, das 0,5 mm Aluminium äquivalent war.

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Wie den Figuren 1 und 2 entnommen werden kann, verschlechterte sich die Ausgangsleistung des Molybdän-Targets rasch. Bei einer Energiezuführung von 60 000 Hitzeeinheiten/Minute (Fig. 1) verschlechterte sich die Ausgangsleistung des reinen Molybdän-Targets nach 3500 Bestrahlungen auf 45 % (Kurve B) der ursprünglichen Strahlungsleistung, während das aus der Molybdän/Wolfram-Legierung hergestellte Target (Kurve A) die Verminderung auf 45 % der Ausgangsleistung erst nach 9500 Bestrahlungen erreichte. Nach dem Erreichen des 45 ^-Levels hörte die Entstehung von Brüchen des Target-Legierungsmaterials auf und das Legierungs-Target erzeugte weiter bis zu 20 000 Bestrahlungen eine brauchbare Strahlung. Das Molybdän-Target dagegen erlitt eine weitere Verminderung der Ausgangsleistung, bis nach 20 000 Bestrahlungen nur noch 20 % des ursprünglichen Strahlungsleistungs-Levels erreicht waren.

Bei den Targets, die einer Energieaufnahme von 30 000 Hitzeeinheiten/Minute (s. Fig. 2) ausgesetzt waren, verminderte sich die Ausgangsleistung des reinen Molybdän-Targets am Anfang nicht so rasch, wie bei dem Molybdän-Target, das einer Eingangsleistung von 60 000 Hitzeeinheiten ausgesetzt war. Nach 36ΟΟ Bestrahlungen (Kurve B) war die Ausgangsleistung des Targets auf 60 % des ursprünglichen Levels abgesunken und verschlechterte sich danach rasch weiter. Das Legierungs-Target (Kurve A) zeigte eine Verminderung bis zum 60 /2-Level der Ausgangsleistung erst nach 12 200 Bestrahlungen und erzeugte auch danach weiter eine brauchbare Strahlung.

Bei einer gründlichen Untersuchung der Molybdän-Targets wurde festgestellt, daß diese Targets schwere und tiefe Oberflächenbrüche in den Targetbereichen aufwiesen, die kontinuierlich durch die durch den Elektronenstrahl verursachte thermische Belastung erzeugt worden waren. Die Verminderung der Röntgenstrahlung ist darauf zurückzuführen, daß Röntgenstrahlen, die in den durch die Brüche entstandenen Rissen erzeugt werden, in dem Riß absorbiert werden und auf diese Weise nicht den Patienten und den Film erreichen.

Unerwarteterweise verbessert das Legieren von Molybdän mit Wolfram die Duktilität bei geringer Temperatur, erhöht die Festigkeit

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bei hoher Temperatur und verbessert dadurch die mammographischen Anwendungen, wie anhand der Figuren 1 und 2 ersichtlich. Dies ergibt sich aus einem Vergleich der Figuren 1 und 2. Das einer Eingangsleistung von 30 000 Hitzeeinheiteh/Minute ausgesetzte Molybdän-Target ,verschlechterte sich mit einer konstanteren Geschwindigkeit als das einer Eingangsleistung von 60 000 Hitzeeinheiten/Minute ausgesetzte Target aus dem gleichen Material. Die konstantere Verschlechterungsgeschwindigkeit des erstgenannten Targets ist offensichtlich das Ergebnis der größeren Belastungen aufgrund der längeren Abkühlzeiten zwischen den Bestrahlungen. Das Legierungs-Target, das einer Eingangsleistung von 30 000 Hitzeeinheiten/Minute ausgesetzt war, verschlechterte sich anfangs rascher als das Legierungs-Target, das 60 000 Hitzeeinheiten/Minute ausgesetzt war_s doch flachte die Verschlechtqrungsgeschwindigkeit des erstgenannten Le gie rungs-Targets bei einer höheren prozentualen"Ausgangsleistung ab»

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   l.iAnode für eine Röntgenröhre, dadurch gekenn- ^— zeichnet , daß mindestens das Target der Anode eine Legierung aus Molybdän mit etwa 5 bis etwa 35 % Wolfram umfaßt.
2. 2. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung etwa 70 % Molybdän und etwa 30 % Wolfram umfaßt.
3. 3. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Anode eine rotierende Anode ist.
4. k. Anode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß sie im wesentlichen aus einer Legierung aus Molybdän mit etwa 5 bis etwa 35 % Wolfram besteht.
5. 5. Anode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß sie im wesentlichen aus etwa 70 % Molybdän und etwa 30 % Wolfram besteht.
6. 6. Röntgenröhre für mammographisehe Anwendungen mit einem drehbaren metallischen Anodenkörper, der eine freiliegende Targetoberfläche aufweist, sowie einer Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls zum Aufprallen auf dem Targetbereich unter Erzeugung einer Röntgenstrahlemission, dadurch gekennzeichnet , daß der Anodenkörper mindestens in seinem Targetbereich aus einer Legierung aus Molybdän mit etwa 5 bis etwa 35 % Wolfram besteht.
7. 7. Röntgenröhre nach Anspruch 6₃ dadurch gekennzeichnet ₉ daß die Legierung etwa 70 % Molybdän und etwa 30 % Wolfram umfaßt.
8. 8. Röntgenröhre nach Anspruch 6_S dadurch gekennzeichnet ₉ daß die Anode im wesentlichen aus einer Legierung aus Molybdän mit etwa 5 bis 35 % Wolfram besteht.

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9. 9. Röntgenröhre nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet j daß die Legierung im wesentlichen aus etwa 70 % Molybdän und etwa 30 % Wolfram besteht.

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