EP0104515A2 - High power rotary X-ray tube anode and method for its production - Google Patents

High power rotary X-ray tube anode and method for its production Download PDF

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EP0104515A2
EP0104515A2 EP83108830A EP83108830A EP0104515A2 EP 0104515 A2 EP0104515 A2 EP 0104515A2 EP 83108830 A EP83108830 A EP 83108830A EP 83108830 A EP83108830 A EP 83108830A EP 0104515 A2 EP0104515 A2 EP 0104515A2
Authority
EP
European Patent Office
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amorphous carbon
ray
anode
braking body
layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP83108830A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP0104515A3 (en
Inventor
Hans Dr. Pfister
Bernhard Dr. Hillenbrand
Alfred Dr. Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0104515A2 publication Critical patent/EP0104515A2/en
Publication of EP0104515A3 publication Critical patent/EP0104515A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
    • H01J35/105—Cooling of rotating anodes, e.g. heat emitting layers or structures

Definitions

  • the invention relates to a high-performance X-ray rotary anode with a rotating, plate-shaped electron decelerating body, which contains a material of one or more components with a high characteristic value Z ⁇ max ⁇ ⁇ ⁇ s ⁇ c, where Z is the atomic number, ⁇ max the maximum permissible temperature, ⁇ is the thermal conductivity, f is the density and c is the specific heat, and which is thermally conductively connected to parts made of carbon which have a high emissivity ⁇ at the operating temperatures of the braking body.
  • the invention further relates to a method for producing such a rotating anode.
  • a corresponding high-performance x-ray anode can be found, for example, in the publication "Imaging systems for medical diagnostics", Siemens AG, Berlin-Munich, 1980, in particular pages 157 to 160, published by E. Krestel.
  • X-ray tubes generally contain a hot cathode at a negative potential and an anode at a positive potential in a vacuum vessel. Electrons emerge from the hot cathode due to thermal emission. A focusing device as part of the cathode bundles the emerging electrons to form a locally limited impact surface on the To force anode, the so-called focal spot. The electric field between the electrodes ensures sufficient acceleration of the electrons. In the focal spot of the anode, about 99% of the electron energy is converted into heat by the impacting electrons, while only about 1% leads to the desired X-ray radiation. The heat energy generated in the anode must be dissipated by suitable cooling.
  • the high short-term performance of X-ray tubes required for medical diagnostics * with the required exposure times and small burn spots can practically only be achieved with rotating anodes.
  • rotating the anode material that has not yet been bombarded by electron beams, that is to say that has not been heated or has largely cooled again, is brought into the electron beam.
  • the maximum short-term power of such an anode is mainly determined by the melting point, by the roughening due to the very high temperature gradients and / or the evaporation rate of the anode material in the focal spot.
  • Tungsten is considered to be a particularly suitable anode material. This is due to the high atomic number of this material, its high melting temperature and its good thermal properties compared to other high-melting materials. Accordingly, the value of the size Z ⁇ max ⁇ ⁇ s ⁇ c, which is regarded as characteristic for rotating anodes, is particularly high for this material and is approximately 370,000 (cf. the publication mentioned, pages 76 and 77).
  • Z is the atomic number
  • ⁇ max the maximum permissible temperature
  • ⁇ the heat conductivity s the density and c the specific heat.
  • the permitted maximum focal spot temperature is 20 to 30% below the melting point temperature of the anode material.
  • Radiation cooling is generally used to cool high-performance rotating anodes made of tungsten or tungsten alloys.
  • the anode assumes an average temperature of approximately 1000 ° C. on its surface facing the radiation.
  • the emitted power can thus be influenced via the emissivity (T).
  • T emissivity
  • the ⁇ values at temperatures of 1000 ° C are around 0.2.
  • the values at these temperatures are between 0.5 and 0.9.
  • the relatively low emissivity of the originally pure metal plates of the rotating anodes was attempted by blackening the back of the anode, i.e. on the side facing away from the electron radiation.
  • metal-graphite composite rotating anodes are known, the anode plates of which have a welded-on graphite disc on the back. This not only exploits the good emissivity of the graphite, but also the high specific heat of the material. In this way, high continuous outputs, e.g. at 100 mm anode diameter up to 4 kW can be emitted without the anode being heated to an unacceptably high level.
  • the graphite material is not in direct connection with the front of the anode plate which is exposed to the electrons, where the high temperatures occur. Rather, since the graphite material attached to the rear of the anode plate is separated from the high-temperature areas by the considerable thickness of the anode plate due to mechanical reasons, only a correspondingly low radiation line is achieved due to the lower temperatures prevailing there.
  • the known graphite material can also not be easily applied to the front of the anode plate, since otherwise the graphite would react with the anode material with undesired carbide formation at the temperatures prevailing there. The radiation cooling of the known rotary anode is accordingly limited.
  • the object of the present invention is to further increase the radiation cooling of this known composite rotating anode.
  • This object is achieved according to the invention for the high-performance rotating anode of the type mentioned at the outset in that at least the front of the plate-shaped braking body exposed to the electrons is at least partially provided with a layer of an amorphous carbon which has a high emissivity f at the operating temperatures of the braking body occurring there of at least 0.5 and is at least largely chemically resistant to the X-ray active material of the braking body.
  • a carbon layer which is resistant to the material of the braking body is to be understood as a layer which at most undergoes a negligible chemical reaction, in particular carbide formation, with the material of the braking body or its X-ray-active parts within the required service life of the rotating anode.
  • the advantages associated with the design of the rotating anode according to the invention can be seen in particular in that the arrangement of areas with high emissivity in the immediate vicinity of the annular focal spot zone can significantly increase the radiated power of the surface of the anode plate compared to the known embodiment of the rotating anode. This allows the temperature of the anode plate to be reduced, which leads to an increase in the life of the X-ray tube. Or you can further increase the performance of the tube without undue overheating of the anode.
  • An advantageous method for producing the high-performance x-ray rotary anode according to the invention is characterized in that the amorphous carbon layer is deposited by means of a gas discharge from hydrocarbons.
  • the rotating anode contains an anode plate 2, which serves as a braking body for electron beams generated by a hot cathode (not shown in the figure) and focused in a focusing device.
  • This anode plate is attached to a central shaft 3, which are connected to rotatable parts of a rotor not shown in the figure.
  • the rotational speeds of the rotor are generally between 16 2/3 and 300 Hz.
  • the anode plate 2 essentially comprises a base body 4, which has at least one radially outer annular portion 5, which is opposed to a central portion 6 to which the shaft 3 is fixed, is angled by a predetermined angle ⁇ .
  • This angled area 5 meets at least in an annular partial area 7 the electron beam 8 indicated by arrowed lines in the figure.
  • This partial area thus represents the focal spot zone of the anode plate 2.
  • At least this annular focal spot zone 7 of the angled area 5 is provided with an X-ray active cover layer 9. Mistake.
  • This cover layer with a thickness D of, for example, 1 to 2 mm advantageously consists of pure tungsten or a tungsten alloy such as, for example, tungsten-rhenium, while the base body 4 and the shaft For example, are made of a molybdenum alloy. If appropriate, the entire anode plate 2 can also be made of tungsten or a tungsten alloy.
  • a thin layer of an amorphous diamond-like or graphite-like carbon is applied to the anode plate 2 on the surface of its front side facing the electron beam 8.
  • the focal spot zone 7 is not coated with this carbon. If necessary, however, a corresponding coating of this zone can also be provided.
  • deposition of amorphous carbon can either be avoided by a mask technique; or one removes the amorphous carbon from this area mechanically, physically or chemically after the deposition process.
  • the focal spot zone 7 lies between an annular carbon layer 11 on the outer edge and a circular disk-shaped carbon layer 12 covering the center of the anode plate 2.
  • the carbon material of the layers has a high emissivity ⁇ , which corresponds approximately to that of a black body. ⁇ is thus at least 0.5, for example approximately 0.8, at the temperatures which arise when the electron beam 8 impacts the focal spot zone 7 in the subareas of the anode plate 2 which are immediately below the layers 11 and 12.
  • the appropriate temperatures can be there for example about 1000 v C.
  • the amorphous carbon is sufficiently chemically resistant to the material of the anode plate 2, in particular to the tungsten or the tungsten alloy of the X-ray active cover layer 9. Material practically does not react with the neighboring material of the anode plate at these temperatures during the life of the anode.
  • corresponding layers 13 or 14 made of the amorphous carbon material can also be applied to the back of the anode plate 2 facing away from the electron radiation 8 and, if appropriate, to the outer edge of the plate, in order to further increase the radiation cooling.
  • the entire, coated anode plate 2 can be provided in a known manner with radial slots in its annular, angled region 5 (cf. the publication mentioned, pages 159 and 162).
  • amorphous carbon layers on substrates is known per se (cf., for example, "Appl. Phys. Lett.” 36 (4), February 15, 1980, pages 291 and 292; "Thin Solid Films” Vol. 80 (1981) , Pages 193 to 200 and pages 227 to 234 and Vol. 60 (1979), pages 213 to 225).
  • Such layers can then be applied, for example, in a direct voltage or high-frequency plasma made of hydrocarbons or by high-frequency sputtering.
  • These layers, often called diamond similarly designated and characterized by a high hardness, should previously be used according to the publications mentioned in optical devices as anti-reflective layers of semiconductors in the infrared range or as layers for surface hardening.
  • amorphous carbon films at high temperatures of, for example, about 10 00 d C compared to the intended in general for high-performance X-ray rotary anode X-ray active materials, in particular to tungsten or tungsten alloys are sufficiently chemically resistant.
  • Corresponding amorphous carbon layers can therefore advantageously also serve to improve the radiation cooling of X-ray rotary anodes.
  • Amorphous carbon layers suitable for this can be applied to the anode plate of a rotating anode using the known methods. It is particularly advantageous to deposit the carbon layers on the anode plate by means of a gas discharge of hydrocarbons.
  • the anode plate made of pure tungsten to be coated with the amorphous carbon was first subjected to a cleaning treatment as the X-ray active material.
  • a cleaning treatment as the X-ray active material.
  • This may be achieved in particular a sand-blasting treatment with A1203 powder of about 10 / to provide diameter of the powder particles.
  • a known cathode ray etching which is also referred to as sputter etching, is possible.
  • Such sputter cleaning was carried out after the sandblasting treatment.
  • the coating chamber with the pretreated tungsten anode plate was then flowed through by methane gas or butane gas.
  • the pressure of this hydrocarbon atmosphere was about 0.1 mbar.
  • a direct current gas discharge was ignited between the tungsten anode plate connected as cathode and an anode at room temperature.
  • a glow discharge with a current density based on the cathode of about 50 to 100 / ⁇ m / cm 2 at a power density of 0.3 to 3, for example about 1 W per mbar and cm cathode area.
  • a glow discharge treatment there was a firmly adhering amorphous carbon layer with a thickness in the / um range on the anode plate.
  • This layer which has a dark gray appearance, is resistant to the tungsten of the anode plate up to temperatures of over 1000 ° C. and has a high emissivity S of about 0.8 at these temperatures.
  • the anode plate with the layers of amorphous carbon deposited on it can be subjected to a thermal aftertreatment, in particular at elevated temperatures of above 300 ° C., preferably above 500 ° C., for example. undergo at about 1000 ° C. In this way, any hydrogen that may still be incorporated in the amorphous carbon layers can be expelled from these layers.
  • the deposited carbon can also be removed again in the area of the focal spot zone, unless a masking technique precludes the deposition of the carbon during the gas discharge treatment. If necessary, however, the amorphous carbon can also be left in the focal spot zone.

Abstract

The high power X-ray rotating anode has a rotating, plate-shaped electron deceleration body which contains a material of one or more components having a high characteristic value Z x @max x 2ROOT lambda x rho xc, where Z is the ordinal index, @max is the maximum permissible temperature, lambda is the thermal conductivity, rho is the density and c is the specific heat. Furthermore, the deceleration body is thermally conductively connected to parts made of carbon which have a high emission capability epsilon at the operating temperatures of the deceleration body which occur. In order further to improve the radiation cooling of this rotating anode, according to the invention at least the front side (regions 5 and 6) of the plate-shaped deceleration body (2) which is exposed to the electrons (8) is at least partially provided with a coating (11, 12) of an amorphous carbon, which at the operating temperatures of the deceleration body (2) which occur, has an emission capability epsilon of at least 0.5, and is thus at least generally chemically resistant to the X-ray-active material (layer 9) of the deceleration body (2). <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochleistungs-Röntgendrehanode mit einem rotierenden, tellerförmigen Elektronen-Abbremskörper, der ein Material aus einer oder mehreren Komponenten mit einem hohen charakteristischen Wert Z ϑmax ·√λ·s· c enthält, wobei Z die Ordnungszahl, ϑmax die maximal zulässige Temperatur,λ die Wärmeleitfähigkeit, f die Dichte und c die spezifische Wärme sind, und der mit Teilen aus Kohlenstoff wärmeleitend verbunden ist, die bei den auftretenden Betriebstemperaturen des Abbremskörpers ein hohes Emissionsvermögen ε aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Drehanode. Eine entsprechende Hochleistungs-Röntgendrehanode geht z.B. aus der von E.Krestel herausgebenen Veröffentlichung "Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik", Siemens AG, Berlin-München, 1980, insbesondere Seiten 157 bis 160 hervor.The invention relates to a high-performance X-ray rotary anode with a rotating, plate-shaped electron decelerating body, which contains a material of one or more components with a high characteristic value Z ϑ max · √λ · s · c, where Z is the atomic number, ϑ max the maximum permissible temperature, λ is the thermal conductivity, f is the density and c is the specific heat, and which is thermally conductively connected to parts made of carbon which have a high emissivity ε at the operating temperatures of the braking body. The invention further relates to a method for producing such a rotating anode. A corresponding high-performance x-ray anode can be found, for example, in the publication "Imaging systems for medical diagnostics", Siemens AG, Berlin-Munich, 1980, in particular pages 157 to 160, published by E. Krestel.

Röntgenröhren enthalten prinzipiell in einem Vakuumgefäß eine Glühkathode auf negativem und eine Anode auf positivem Potential. Durch thermische Emission treten aus der Glühkathode Elektronen aus. Eine Fokussierungseinrichtung als Bestandteil der Kathode sorgt für eine Bündelung der austretenden Elektronen, um eine örtlich begrenzte Aufprallfläche auf der Anode, den sogenannten Brennfleck, zu erzwingen. Das elektrische Feld zwischen den Elektroden sorgt für eine ausreichende Beschleunigung der Elektronen. Im Brennfleck der Anode werden durch die aufprallenden Elektronen etwa 99 % der Elektronenenergie in Wärme umgesetzt, während nur etwa 1 % zu der gewünschten Röntgenstrahlung führt. Die in der Anode dabei entstehende Wärmeenergie muß durch geeignete Kühlung abgeführt werden.X-ray tubes generally contain a hot cathode at a negative potential and an anode at a positive potential in a vacuum vessel. Electrons emerge from the hot cathode due to thermal emission. A focusing device as part of the cathode bundles the emerging electrons to form a locally limited impact surface on the To force anode, the so-called focal spot. The electric field between the electrodes ensures sufficient acceleration of the electrons. In the focal spot of the anode, about 99% of the electron energy is converted into heat by the impacting electrons, while only about 1% leads to the desired X-ray radiation. The heat energy generated in the anode must be dissipated by suitable cooling.

Für die medizinische Diagnostik*geforderte hohe Kurzzeitleistungen von Röntgenröhren sind bei den erforderlichen Belichtungszeiten und kleinEnBrennflecken praktisch nur mit Drehanoden zu erreichen. Dabei bringt man durch Rotation der Anode noch nicht von Elektronenstrahlen bombardiertes, also nicht erwärmtes bzw. weitgehend wieder abgekühltes Material in den Elektronenstrahl. Die maximale Kurzzeitleistung einer solchen Anode wird hauptsächlich durch den Schmelzpunkt, durch die Aufrauhung infolge der sehr hohen Temperaturgradienten und/oder die Abdampfrate des Anodenmaterials im Brennfleck bestimmt.The high short-term performance of X-ray tubes required for medical diagnostics * with the required exposure times and small burn spots can practically only be achieved with rotating anodes. By rotating the anode, material that has not yet been bombarded by electron beams, that is to say that has not been heated or has largely cooled again, is brought into the electron beam. The maximum short-term power of such an anode is mainly determined by the melting point, by the roughening due to the very high temperature gradients and / or the evaporation rate of the anode material in the focal spot.

Als besonders geeignetes Anodenmaterial wird Wolfram angesehen. Dies ist bedingt durch die hohe Ordnungszahl dieses Materials, seine hohe Schmelztemperatur und seine, verglichen mit anderen hochschmelzenden Materialien, guten thermischen Eigenschaftswerte. Dementsprechend ist der Wert der für Drehanoden als charakteristisch angesehenen Größe Z ϑmax √λ·s·c für dieses Material besonders hoch und liegt bei etwa 370 000 (vgl. die genannte Veröffentlichung, Seiten 76 und 77). Hierbei sind Z die Ordnungszahl, ϑmax die maximal zulässige Temperatur, λ die Wärmeleitfähigkeit, s die Dichte und c die spezifische Wärme. In der Regel liegt die zugelassene maximale Brennflecktemperatur 20 bis 30 % unter der Schmelzpunkttemperatur des Anodenmaterials.Tungsten is considered to be a particularly suitable anode material. This is due to the high atomic number of this material, its high melting temperature and its good thermal properties compared to other high-melting materials. Accordingly, the value of the size Z ϑ max √λ · s · c, which is regarded as characteristic for rotating anodes, is particularly high for this material and is approximately 370,000 (cf. the publication mentioned, pages 76 and 77). Here Z is the atomic number, ϑ max the maximum permissible temperature, λ the heat conductivity, s the density and c the specific heat. As a rule, the permitted maximum focal spot temperature is 20 to 30% below the melting point temperature of the anode material.

Zur Kühlung von Hochleistungs-Drehanoden aus Wolfram oder Wolframlegierungen wird allgemein die Strahlungskühlung angewandt. Die Anode nimmt dabei eine mittlere Temperatur von etwa 10000C an ihrer der Strahlung zugewandten Oberfläche an. Die Wärmeabstrahlung erfolgt mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur entsprechend dem Gesetz P = A ·

Figure imgb0001
0· ε(T) · T4,, wobei P die abgestrahlte Leistung, A die abstrahlende Fläche,
Figure imgb0001
die Stefan-Boltzmann-Konstante,ε (T) das totale Emissionsvermögen und T die absolute Temperatur sind. Über das Emissionsvermögenε (T) ist somit die abgestrahlte Leistung beeinflußbar. Für Wolfram liegen die ε-Werte bei Temperaturen von 1000°C bei etwa 0,2. Für Graphit hingegen liegen die Werte bei diesen Temperaturen zwischen 0,5 und 0,9.Radiation cooling is generally used to cool high-performance rotating anodes made of tungsten or tungsten alloys. The anode assumes an average temperature of approximately 1000 ° C. on its surface facing the radiation. The heat radiation occurs with the fourth power of the absolute temperature according to the law P = A
Figure imgb0001
0 · ε (T) · T 4, where P is the radiated power, A is the emitting surface,
Figure imgb0001
the Stefan-Boltzmann constant, ε (T) the total emissivity and T the absolute temperature. The emitted power can thus be influenced via the emissivity (T). For tungsten, the ε values at temperatures of 1000 ° C are around 0.2. For graphite, however, the values at these temperatures are between 0.5 and 0.9.

Das verhältnismäßig niedrige Emissionsvermögen der ursprünglich reinen Metallteller der Drehanoden versuchte man durch Schwärzungen der Anodenrückseite, d.h. auf der der Elektronenstrahlung abgewandten Seite, zu erhöhen. Darüber hinaus sind Metall-Graphit-Verbunddrehanoden bekannt, deren Anodenteller auf ihrer Rückseite eine angeschweißte Graphitscheibe aufweisen. Hierbei wird nicht nur das gute Abstrahlungsvermögen des Graphits, sondern auch die hohe spezifische Wärme des Materials ausgenutzt. Auf diese Weise können hohe Dauerleistungen, z.B. bei 100 mm Anodendurchmesser bis zu 4 kW abgestrahlt werden, ohne daß die Anode unzulässig hoch erhitzt wird.The relatively low emissivity of the originally pure metal plates of the rotating anodes was attempted by blackening the back of the anode, i.e. on the side facing away from the electron radiation. In addition, metal-graphite composite rotating anodes are known, the anode plates of which have a welded-on graphite disc on the back. This not only exploits the good emissivity of the graphite, but also the high specific heat of the material. In this way, high continuous outputs, e.g. at 100 mm anode diameter up to 4 kW can be emitted without the anode being heated to an unacceptably high level.

Bei dieser bekannten Drehanode befindet sich jedoch das Graphitmaterial nicht in unmittelbarer Verbindung mit der den Elektronen ausgesetzten Vorderseite des Anodentellers, wo die hohen Temperaturen auftreten. Da vielmehr das auf der Rückseite des Anodentellers angebrachte Graphitmaterial von den Hochtemperatur-Bereichen über die aus mechanischen Gründen bedingte, erhebliche Dicke des Anodentellers getrennt ist, wird nur eine aufgrund der dort herrschenden tieferen Temperaturen entsprechend geringe Abstrahlungsleitung erreicht. Das bekannte Graphitmaterial kann auch nicht ohne weiteres auf die Vorderseite des Anodentellers aufgebracht werden, da sich sonst bei den dort herrschenden Temperaturen das Graphit mit dem Anodenmaterial unter unerwünschter Karbidbildung umsetzen würde. Die Strahlungskühlung der bekannten Drehanode ist somit dementsprechend begrenzt.In this known rotating anode, however, the graphite material is not in direct connection with the front of the anode plate which is exposed to the electrons, where the high temperatures occur. Rather, since the graphite material attached to the rear of the anode plate is separated from the high-temperature areas by the considerable thickness of the anode plate due to mechanical reasons, only a correspondingly low radiation line is achieved due to the lower temperatures prevailing there. The known graphite material can also not be easily applied to the front of the anode plate, since otherwise the graphite would react with the anode material with undesired carbide formation at the temperatures prevailing there. The radiation cooling of the known rotary anode is accordingly limited.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Strahlungskühlung dieser bekannten Verbunddrehanode noch weiter zu erhöhen.The object of the present invention is to further increase the radiation cooling of this known composite rotating anode.

Diese Aufgabe wird für die Hochleistungs-Drehanode der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens die den Elektronen ausgesetzte Vorderseite des tellerförmigen Abbremskörpers zumindest teilweise mit einer Schicht aus einem amorphen Kohlenstoff versehen ist, der bei den dort auftretenden Betriebstemperaturen des Abbremskörpers ein hohes Emissionsvermögen f von mindestens 0,5 aufweist und dabei gegenüber dem röntgenaktiven Material des Abbremskörpers zumindest weitgehend chemisch resistent ist.This object is achieved according to the invention for the high-performance rotating anode of the type mentioned at the outset in that at least the front of the plate-shaped braking body exposed to the electrons is at least partially provided with a layer of an amorphous carbon which has a high emissivity f at the operating temperatures of the braking body occurring there of at least 0.5 and is at least largely chemically resistant to the X-ray active material of the braking body.

Unter einer gegenüber dem Material des Abbremskörpers resistenten Kohlenstoffschicht ist dabei eine Schicht zu verstehen, die höchstens eine im Rahmen der geforderten Lebensdauer der Drehanode vernachlässigbar geringe chemische Reaktion, insbesondere Karbidbildung, mit dem Material des Abbremskörpers bzw. seiner röntgenaktiven Teile eingeht.A carbon layer which is resistant to the material of the braking body is to be understood as a layer which at most undergoes a negligible chemical reaction, in particular carbide formation, with the material of the braking body or its X-ray-active parts within the required service life of the rotating anode.

Die mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Drehanode verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß durch die Anordnung von Bereichen mit hohem Emissionsvermögen in unmittelbarer Nähe zu der ringförmigen Brennfleckzone die abgestrahlte Leistung der Oberfläche des Anodentellers gegenüber der bekannten Ausführungsform der Drehanode wesentlich gesteigert werden kann. Dadurch kann die Temperatur des Anodentellers abgesenkt werden, was zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Röntgenröhre führt. Oder man kann die Leistung der Röhre weiter erhöhen, ohne daß es zu einer unzulässigen Überhitzung der Anode kommt.The advantages associated with the design of the rotating anode according to the invention can be seen in particular in that the arrangement of areas with high emissivity in the immediate vicinity of the annular focal spot zone can significantly increase the radiated power of the surface of the anode plate compared to the known embodiment of the rotating anode. This allows the temperature of the anode plate to be reduced, which leads to an increase in the life of the X-ray tube. Or you can further increase the performance of the tube without undue overheating of the anode.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Röntgendrehanode ist dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Kohlenstoffschicht mittels einer Gasentladung von Kohlenwasserstoffen abgeschieden wird.An advantageous method for producing the high-performance x-ray rotary anode according to the invention is characterized in that the amorphous carbon layer is deposited by means of a gas discharge from hydrocarbons.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Hochleistungs-Röntgendrehanode nach der Erfindung bzw. des Verfahrens zu ihrer Herstellung gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.Further advantageous refinements of the high-performance x-ray rotary anode according to the invention and the method for its production can be found in the remaining subclaims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung noch weiter erläutert, in deren Figur eine Hochleistungs-Röntgendrehanode gemäß der Erfindung angedeutet ist.The invention is further explained below with reference to the drawing, in the figure of which a high-performance x-ray anode according to the invention is indicated.

Bei der in der Figur als Längsschnitt schematisch gezeigten Hochleistungs-Röntgendrehanode wird von bekannten Ausführungsformen solcher Anoden ausgegangen (vgl. z.B. die genannte Veröffentlichung, Seite 158). Die Drehanode enthält einen Anodenteller 2, der als Abbremskörper für von einer in der Figur nicht ausgeführten Glühkathode erzeugte und in einer Fokussierungseinrichtung gebündelte Elektronenstrahlen dient. Dieser Anodenteller ist an einer zentralen Welle 3 befestigt, die mit drehbeweglichen Teilen eines in der Figur nicht ausgeführten Rotors verbunden sind. Die Drehzahlen des Rotors liegen im allgemeinen zwischen 16 2/3 und 300 Hz. Der Anodenteller 2 besteht im wesentlichen aus einem Basiskörper 4, der mindestens einen radial weiter außenliegenden, ringförmigen Bereich 5 aufweist, welcher gegenüber einem zentralen Bereich 6, an dem die Welle 3 befestigt ist, um einen vorbestimmten Winkel α abgewinkelt ist. Auf diesen abgewinkelten Bereich 5 trifft zumindest in einem ringförmigen Teilbereich 7 das in der Figur durch gepfeilte Linien angedeutete Elektronenstrahlbündel 8. Dieser Teilbereich stellt somit die Brennfleckzone des Anodentellers 2 dar. Zumindest diese ringförmige Brennfleckzone 7 des abgewinkelten Bereiches 5 ist mit einer röntgenaktiven Deckschicht 9- versehen. Diese Deckschicht mit einer Dicke D von z.B. 1 bis 2 mm besteht vorteilhaft aus Reinwolfram oder einer Wolframlegierung wie z.B. aus Wolfram-Rhenium, während der Basiskörper 4 und die Welle z.B. aus einer Molybdänlegierung gefertigt sind. Gegebenenfalls kann auch der gesamte Anodenteller 2 aus Wolfram oder einer Wolframlegierung bestehen.Known embodiments of such anodes are assumed for the high-performance x-ray rotary anode shown schematically in the figure as a longitudinal section (cf. for example the publication mentioned, page 158). The rotating anode contains an anode plate 2, which serves as a braking body for electron beams generated by a hot cathode (not shown in the figure) and focused in a focusing device. This anode plate is attached to a central shaft 3, which are connected to rotatable parts of a rotor not shown in the figure. The rotational speeds of the rotor are generally between 16 2/3 and 300 Hz. The anode plate 2 essentially comprises a base body 4, which has at least one radially outer annular portion 5, which is opposed to a central portion 6 to which the shaft 3 is fixed, is angled by a predetermined angle α. This angled area 5 meets at least in an annular partial area 7 the electron beam 8 indicated by arrowed lines in the figure. This partial area thus represents the focal spot zone of the anode plate 2. At least this annular focal spot zone 7 of the angled area 5 is provided with an X-ray active cover layer 9. Mistake. This cover layer with a thickness D of, for example, 1 to 2 mm advantageously consists of pure tungsten or a tungsten alloy such as, for example, tungsten-rhenium, while the base body 4 and the shaft For example, are made of a molybdenum alloy. If appropriate, the entire anode plate 2 can also be made of tungsten or a tungsten alloy.

Gemäß der Erfindung ist auf dem Anodenteller 2 auf der Oberfläche seiner dem Elektronenstrahlbündel 8 zugewandten Vorderseite eine dünne Schicht aus einem amorphen diamant- oder graphitartigen Kohlenstoff festhaftend aufgebracht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen, daß die Brennfleckzone 7 nicht mit diesem Kohlenstoff beschichtet ist. Gegebenenfalls kann jedoch auch eine entsprechende Beschichtung dieser Zone vorgesehen werden. Im Bereich der Brennfleckzone 7 kann entweder durch eine Maskentechnik ein Abscheiden von amorphem Kohlenstoff vermieden werden; oder aber man entfernt mechanisch, physikalisch oder chemisch nach dem Abscheidungsvorgang den amorphen Kohlenstoff aus diesem Bereich. Die Brennfleckzone 7 liegt gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen einer ringförmigen Kohlenstoff-Schicht 11 am Außenrand und einer kreisscheibenförmigen, das Zentrum des Anodentellers 2 abdeckenden Kohlenstoff-Schicht 12. Mit diesen amorphen Kohlenstoff-Schichten 11 und 12, deren Dicke d etwa zwischen 0,1 und 10 /um liegt, soll eine effektive Strahlungskühlung des Anodentellers 2 gewährleistet werden. Hierzu hat das Kohlenstoff-Material der Schichten ein hohes Emissionsvermögen ε, das annähernd dem eines schwarzen Körpers entspricht. ε liegt somit bei mindestens 0,5, z.B. bei etwa 0,8, bei den Temperaturen, die sich bei dem Aufprall des Elektronenstrahlbündels 8 auf die Brennfleckzone 7 in den unmittelbar unter den Schichten 11 und 12 liegenden Teilbereichen des Anodentellers 2 einstellen. Die entsprechenden Temperaturen können dort z.B. etwa 1000vC betragen. Bei diesen Temperaturen, bei denen das Emissionsvermögen von Wolfram z.B. bei etwa 0,2 liegt, ist der amorphe Kohlenstoff ausreichend chemisch resistent gegenüber dem Material des Anodentellers 2, insbesondere gegenüber dem Wolfram bzw. der Wolframlegierung der röntgenaktiven Deckschicht 9. D.h., das Kohlenstoff-Material setzt sich mit dem benachbarten Material des Anodentellers bei diesen Temperaturen während der Lebensdauer der Anode praktisch nicht um.According to the invention, a thin layer of an amorphous diamond-like or graphite-like carbon is applied to the anode plate 2 on the surface of its front side facing the electron beam 8. In the illustrated embodiment, it is assumed that the focal spot zone 7 is not coated with this carbon. If necessary, however, a corresponding coating of this zone can also be provided. In the area of the focal spot zone 7, deposition of amorphous carbon can either be avoided by a mask technique; or one removes the amorphous carbon from this area mechanically, physically or chemically after the deposition process. According to the exemplary embodiment shown, the focal spot zone 7 lies between an annular carbon layer 11 on the outer edge and a circular disk-shaped carbon layer 12 covering the center of the anode plate 2. With these amorphous carbon layers 11 and 12, the thickness d of which is between about 0.1 and 10 / um, effective radiation cooling of the anode plate 2 should be ensured. For this purpose, the carbon material of the layers has a high emissivity ε, which corresponds approximately to that of a black body. ε is thus at least 0.5, for example approximately 0.8, at the temperatures which arise when the electron beam 8 impacts the focal spot zone 7 in the subareas of the anode plate 2 which are immediately below the layers 11 and 12. The appropriate temperatures can be there for example about 1000 v C. At these temperatures, at which the emissivity of tungsten is, for example, about 0.2, the amorphous carbon is sufficiently chemically resistant to the material of the anode plate 2, in particular to the tungsten or the tungsten alloy of the X-ray active cover layer 9. Material practically does not react with the neighboring material of the anode plate at these temperatures during the life of the anode.

Wie aus der Figur ferner hervorgeht, können auch auf der der Elektronenstrahlung 8 abgewandten Rückseite des Anodentellers 2 sowie gegebenenfalls auf dem Außenrand des Tellers entsprechende Schichten 13 bzw. 14 aus dem amorphen Kohlenstoff-Material aufgebracht sein, um die Strahlungskühlung noch weiter zu erhöhen.As can also be seen from the figure, corresponding layers 13 or 14 made of the amorphous carbon material can also be applied to the back of the anode plate 2 facing away from the electron radiation 8 and, if appropriate, to the outer edge of the plate, in order to further increase the radiation cooling.

Gegebenenfalls kann der gesamte, beschichtete Anodenteller 2 in bekannter Weise mit radialen Schlitzen in seinem ringförmigen, abgewinkelten Bereich 5 versehen sein (vgl. die genannte Veröffentlichung, Seiten 159 und 162).If appropriate, the entire, coated anode plate 2 can be provided in a known manner with radial slots in its annular, angled region 5 (cf. the publication mentioned, pages 159 and 162).

Die Herstellung amorpher Kohlenstoff-Schichten auf Substraten ist an sich bekannt (vgl. z.B. "Appl. Phys. Lett." 36 (4), 15.2.1980, Seiten 291 und'292; "Thin Solid Films" Vol. 80 (1981), Seiten 193 bis 200 und Seiten 227 bis 234 sowie Vol. 60 (1979), Seiten 213 bis 225). Danach können solche Schichten z.B. in einem Gleichspannungs- oder Hochfrequenz-Plasma aus Kohlenwasserstoffen oder durch Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung aufgebracht werden. Diese Schichten, die vielfach auch als diamant- ähnlich bezeichnet werden und sich durch eine hohe Härte auszeichnen, sollten bisher gemäß den genannten Veröffentlichungen in optischen Einrichtungn als Antireflektionsschichten von Halbleitern im Infrarot-Bereich oder als Schichten zur Oberflächenhärtung angewandt werden.The production of amorphous carbon layers on substrates is known per se (cf., for example, "Appl. Phys. Lett." 36 (4), February 15, 1980, pages 291 and 292; "Thin Solid Films" Vol. 80 (1981) , Pages 193 to 200 and pages 227 to 234 and Vol. 60 (1979), pages 213 to 225). Such layers can then be applied, for example, in a direct voltage or high-frequency plasma made of hydrocarbons or by high-frequency sputtering. These layers, often called diamond similarly designated and characterized by a high hardness, should previously be used according to the publications mentioned in optical devices as anti-reflective layers of semiconductors in the infrared range or as layers for surface hardening.

Es wurde nun erkannt, daß derartige amorphe Kohlenstoff-Schichten bei hohen Temperaturen von z.B. über 1000dC gegenüber den im allgemeinen für Hochleistungs-Röntgendrehanoden vorgesehenen röntgenaktiven Materialien, insbesondere gegenüber Wolfram oder Wolframlegierungen, ausreichend chemisch resistent sind. Vorteilhaft können deshalb entsprechende amorphe Kohlenstoff-Schichten auch zur Verbesserung der Strahlungskühlung von Röntgendrehanoden dienen. Hierzu geeignete amorphe Kohlenstoff-Schichten lassen sich nach den bekannten Verfahren auf dem Anodenteller einer Drehanode aufbringen. Besonders vorteilhaft ist eine Abscheidung der Kohlenstoff-Schichten auf dem Anodenteller mittels einer Gasentladung von Kohlenwasserstoffen.It has now been recognized that such amorphous carbon films at high temperatures of, for example, about 10 00 d C compared to the intended in general for high-performance X-ray rotary anode X-ray active materials, in particular to tungsten or tungsten alloys, are sufficiently chemically resistant. Corresponding amorphous carbon layers can therefore advantageously also serve to improve the radiation cooling of X-ray rotary anodes. Amorphous carbon layers suitable for this can be applied to the anode plate of a rotating anode using the known methods. It is particularly advantageous to deposit the carbon layers on the anode plate by means of a gas discharge of hydrocarbons.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Röntgendrehanode wurde zunächst deren mit dem amorphen Kohlenstoff zu beschichtender Anodenteller aus Reinwolfram als röntgenaktivem Material einer Reinigungsbehandlung unterzogen. Hierzu kann man insbesondere eine Sandstrahl-Behandlung mit A1203-Pulver von etwa 10 /um Durchmesser der Pulverteilchen vorsehen. Gegebenenfalls ist statt dieser Behandlung oder auch als sich daran anschließende Ergänzung ein an sich bekanntes Kathodenstrahlätzen, das auch als Sputterätzen bezeichnet wird, möglich. Eine solche Sputterreinigung wurde nach der Sandstrahlbehandlung vorgenommen. Dies kann in einer Beschichtungskammer, z.B. in einem zylinderförmigen Glasbehälter, in einer Argon-Atmosphäre mit einem Druck von etwa 0,1 mbar erfolgen, wobei eine Stromdichte von etwa 100 /uA/cm2 bei einer Brennspannung von etwa 1,5 kV eingestellt wird. Die Beschichtungskammer mit dem so vorbehandelten Wolfram-Anodenteller wurde dann von Methangas oder Butangas durchströmt. Der Druck dieser Kohlenwasserstoff-Atmosphäre betrug dabei etwa 0,1 mbar. In dieser Atmosphäre wurde eine Gleichstrom-Gasentladung zwischen dem als Kathode geschalteten Wolfram-Anodenteller und einer Anode bei Raumtemperatur gezündet. Während einer Zeit von etwa 0,5 bis 3 Stunden, vorzugsweise 1 bis 2 Stunden, wurde eine Glimmentladung mit einer auf die Kathode bezogenen Stromdichte von etwa 50 bis 100 /um/cm2 bei einer Leistungsdichte von 0,3 bis 3, z.B. etwa 1 W pro mbar und cm Kathodenfläche eingestellt. Am Ende der Glimmentladungsbehandlung befand sich auf dem Anodenteller eine festhaftende amorphe Kohlenstoff-Schicht mit einer Dicke im /um-Bereich. Diese Schicht, die ein dunkelgraues Aussehen hat, ist bis zu Temperaturen von über 1000°C gegenüber dem Wolfram des Anodentellers beständig und weist bei diesen Temperaturen ein hohes Emissionsvermögen S von etwa 0,8 auf.According to a specific exemplary embodiment for producing an X-ray rotary anode according to the invention, the anode plate made of pure tungsten to be coated with the amorphous carbon was first subjected to a cleaning treatment as the X-ray active material. This may be achieved in particular a sand-blasting treatment with A1203 powder of about 10 / to provide diameter of the powder particles. If necessary, instead of this treatment or also as a subsequent supplement, a known cathode ray etching, which is also referred to as sputter etching, is possible. Such sputter cleaning was carried out after the sandblasting treatment. This can be done in a coating chamber, for example in a cylindrical glass container, in an argon atmosphere with a pressure of about 0.1 mbar, a current density of about 100 / uA / cm 2 being set at a burning voltage of about 1.5 kV. The coating chamber with the pretreated tungsten anode plate was then flowed through by methane gas or butane gas. The pressure of this hydrocarbon atmosphere was about 0.1 mbar. In this atmosphere, a direct current gas discharge was ignited between the tungsten anode plate connected as cathode and an anode at room temperature. For a period of about 0.5 to 3 hours, preferably 1 to 2 hours, a glow discharge with a current density based on the cathode of about 50 to 100 / μm / cm 2 at a power density of 0.3 to 3, for example about 1 W per mbar and cm cathode area. At the end of the glow discharge treatment, there was a firmly adhering amorphous carbon layer with a thickness in the / um range on the anode plate. This layer, which has a dark gray appearance, is resistant to the tungsten of the anode plate up to temperatures of over 1000 ° C. and has a high emissivity S of about 0.8 at these temperatures.

Gegebenenfalls kann man noch den Anodenteller mit den auf ihm abgeschiedenen Schichten aus dem amorphen Kohlenstoff einer thermischen Nachbehandlung, insbesondere bei erhöhten Temperaturen von über 300°C, vorzugsweise über 500°C, z..B. bei etwa 1000°C unterziehen. Auf diese Weise läßt sich vorteilhaft in den amorphen Kohlenstoff-Schichten eventuell noch eingebauter Wasserstoff aus diesen Schichten austreiben.If necessary, the anode plate with the layers of amorphous carbon deposited on it can be subjected to a thermal aftertreatment, in particular at elevated temperatures of above 300 ° C., preferably above 500 ° C., for example. undergo at about 1000 ° C. In this way, any hydrogen that may still be incorporated in the amorphous carbon layers can be expelled from these layers.

Auf der Vorderseite des beschichteten Anodentellers kann außerdem noch im Bereich der Brennfleckzone der abgeschiedene Kohlenstoff wieder entfernt werden, falls nicht durch eine Maskentechnik eine Abscheidung des Kohlenstoffs während der Gasentladungsbehandlung von vornherein ausgeschlossen wurde. Gegebenenfalls kann jedoch der amorphe Kohlenstoff auch in der Brennfleckzone belassen werden.On the front of the coated anode plate, the deposited carbon can also be removed again in the area of the focal spot zone, unless a masking technique precludes the deposition of the carbon during the gas discharge treatment. If necessary, however, the amorphous carbon can also be left in the focal spot zone.

Claims (9)

1. Hochleistungs-Röntgendrehanode mit einem rotierenden, tellerförmigen Elektronen-Abbremskörper, der ein Material aus einer oder mehreren Komponenten mit einem hohen charakteristischen Wert Z ϑ·max ·√λ·S· c enthält, wobei Z die Ordnungszahl, ϑmax die maximal zulässige Temperatur, λ die Wärmeleitfähigkeit, S die Dichte und c die spezifische Wärme sind, und der mit Teilen aus Kohlenstoff wärmeleitend verbunden ist, die bei den auftretenden Betriebstemperaturen des Abbremskörpers ein hohes Emissionsvermögen ε aufweisen, dadurch gekenn- zeichnet, daß mindestens die den Elektronen (8) ausgesetzte Vorderseite (Bereiche 5 und 6) des tellerförmigen Abbremskörpers (2) zumindest teilweise mit einer Schicht (11, 12) aus einem amorphen Kohlenstoff versehen ist, der bei den auftretenden Betriebstemperaturen des Abbremskörpers (2) ein Emissionsvermögen ε von mindestens 0,5 aufweist und dabei gegenüber dem röntgenaktiven Material (Schicht 9) des Abbremskörpers (2) zumindest weitgehend chemisch resistent ist.1. High-performance X-ray rotating anode with a rotating, plate-shaped electron decelerator, which contains a material made of one or more components with a high characteristic value Z ϑ · max · √λ · S · c, where Z is the atomic number, ϑ max the maximum permissible Temperature, λ is the thermal conductivity, S is the density and c is the specific heat, and which is thermally conductively connected to parts made of carbon, which have a high emissivity ε at the operating temperatures of the braking body, characterized in that at least the electrons ( 8) exposed front (areas 5 and 6) of the plate-shaped braking body (2) is at least partially provided with a layer (11, 12) made of an amorphous carbon, which has an emissivity ε of at least 0 at the operating temperatures of the braking body (2) 5 and at least largely chemically res. Compared to the X-ray active material (layer 9) of the braking body (2) istent is. 2. Drehanode nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, daß die amorphe Kohlenstoffschicht (11, 12) eine Dicke (d) von mindestens 0,1 /um aufweist.2. Rotating anode according to claim 1, characterized in that the amorphous carbon layer (11, 12) has a thickness (d) of at least 0.1 / µm. 3. Drehanode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke (d) der amorphen Kohlenstoffschicht (11, 12) höchstens 10 /um beträgt.3. Rotary anode according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness (d) of the amorphous carbon layer (11, 12) is at most 10 / µm. 4. Drehanode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da- durch gekennzeichnet, daß auf der Vorderseite des Abbremskörpers (2) nur die zu der den Elektronen (8) ausgesetzten Brennfleckzone (7) benachbarten Oberflächenteile (Bereiche 5 und 6) mit der amorphen Kohlenstoff-Schicht (11, 12) versehen sind.4. Rotary anode according to one of claims 1 to 3, characterized in that on the front of the braking body (2) only the surface parts (areas 5 and 6) adjacent to the focal spot zone (7) exposed to the electrons (8) with the amorphous Carbon layer (11, 12) are provided. 5. Drehanode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da- durch gekennzeichnet, daß die der Elektronenstrahlung (8) abgewandte Rückseite des Abbremskörpers (2) mit einer Schicht (13) aus dem amorphen Kohlenstoff versehen ist.5. Rotating anode according to one of claims 1 to 4, characterized in that the back of the braking body (2) facing away from the electron radiation (8) is provided with a layer (13) made of the amorphous carbon. 6. Verfahren zur Herstellung einer Hochleistungs-Röntgendrehanode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die amorphe Kohlenstoff-Schicht (11, 12) mittels einer Gasentladung von Kohlenwasserstoffen abgeschieden wird.6. A method for producing a high-performance X-ray rotary anode according to one of claims 1 to 5, characterized in that the amorphous carbon layer (11, 12) is deposited by means of a gas discharge of hydrocarbons. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge- kennzeichnet, daß die amorphe Kohlenstoff-Schicht (11,12) in einer Gasentladung in strömendem Methan oder Butan abgeschieden wird.7. The method according to claim 6, characterized in that the amorphous carbon layer (11, 12) is deposited in a gas discharge in flowing methane or butane. 8. Verfahren zur Herstellung einer Hochleistungs-Röntgendrehanode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, insbesondere nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbremskörper (2) mit der auf ihm abgeschiedenen Kohlenstoff-Schicht (2) einer thermischen Nachbehandlung unterzogen wird.8. A method for producing a high-performance X-ray rotating anode according to one of claims 1 to 5, in particular according to one of claims 6 or 7, characterized in that the braking body (2) with the carbon layer (2) deposited thereon is subjected to a thermal aftertreatment becomes. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge- kennzeichnet, daß die thermische Nachbehandlung bei Temperaturen über 300°C, vorzugsweise über 500°C, vorgenommen wird.9. The method according to claim 8, characterized in that the thermal aftertreatment is carried out at temperatures above 300 ° C, preferably above 500 ° C.
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