EP2803076B1 - Röntgendrehanode mit zumindest anteilig radial ausgerichteter schleifstruktur und herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Röntgendrehanode mit zumindest anteilig radial ausgerichteter schleifstruktur und herstellungsverfahren dafür Download PDF

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EP2803076B1
EP2803076B1 EP13705898.8A EP13705898A EP2803076B1 EP 2803076 B1 EP2803076 B1 EP 2803076B1 EP 13705898 A EP13705898 A EP 13705898A EP 2803076 B1 EP2803076 B1 EP 2803076B1
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EP
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focal track
focal
ground structure
rotating
ray anode
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Peter RÖDHAMMER
Jürgen SCHATTE
Wolfgang Glatz
Thomas Müller
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Plansee SE
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    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
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    • H01J2235/10—Drive means for anode (target) substrate
    • H01J2235/1006—Supports or shafts for target or substrate

Definitions

  • the present invention relates to an X-ray rotary anode having an annular focal track, the focal track surface having a directional abrasive structure.
  • X-ray anodes are used in X-ray tubes to generate X-rays.
  • X-ray devices with such X-ray rotary anodes are used in particular in the medical field in diagnostic imaging.
  • electrons are emitted from a cathode of the x-ray tube and accelerated in the form of a focused electron beam onto the rotated x-ray rotating anode.
  • Much of the energy of the electron beam is converted into heat in the X-ray rotary anode, while a small portion is emitted as X-radiation.
  • the locally released amounts of heat lead to a strong heating of the X-ray rotary anode.
  • annular path (focal path) is scanned in use due to the rotational movement of the x-ray rotary anode.
  • X-ray rotary anodes in the region of the focal track on a trained on a support body focal point coating.
  • thermomechanical load in the focal spot (point of impact of the electron beam on the X-ray rotary anode) occur in the region of the focal point surface cyclic compressive / tensile stresses, which in turn lead to plastic deformation in the region of the focal point surface as well as in the body of the X-ray rotary anode , Compressive stresses arise as a result of the expansion of the volume element acted upon by the electron beam in relation to the comparatively colder environment. Tensile stresses occur due to the plastic deformation taking place at high temperatures and due to the contraction of the previously strongly heated volume element occurring during the subsequent cooling. As a result, a network of micro and macrocracks forms on the focal surface.
  • cracks with widths of more than 100 ⁇ m are formed. Such macrocracks are particularly detrimental to the dose yield and thus on the picture quality. Furthermore, there is a risk of crack propagation deep into the body of the X-ray rotary anode, thereby increasing the risk of material eruption or breakage of the X-ray rotary anode.
  • the DE 10 2007 024 255 A1 It is proposed to introduce a pattern into the focal track surface by electrochemical etching.
  • the DE 103 60 018 A1 describes an X-ray rotary anode, in which at least partially defined micro-slots are arranged in the respective surface.
  • the focus is on the fact that the effect of expansion joints is essentially achieved by the defined structures in which the relative arrangement and dimensions of the individual grooves or slots is predetermined.
  • a controlled expansion and a controlled release of the elastic energy should be made possible.
  • the surface structure of a controlled microcracking can serve. The introduction of such defined structures is complex and associated with high costs.
  • the post-processing of the focal point of a built-in and rotating X-ray rotary anode is described by means of loops in order to correct any existing imbalance.
  • the object of the present invention is to provide an X-ray rotary anode which is inexpensive to manufacture and in which the occurrence of fatigue in use can be suppressed as effectively as possible.
  • the object is also to provide a corresponding method for producing an X-ray rotary anode.
  • an X-ray rotary anode having an annular groove in which the groove surface has a directional abrasive structure.
  • the orientation of the abrasive structure relative to a tangential reference direction in the respective surface portion is each inclined at an angle in the range of 15 ° to 90 ° inclusive.
  • the X-ray rotary anode has these features before it is first installed in an X-ray tube and exposed therein to an electron beam. After prolonged periods of use aging effects can occur, which - as described - lead to modifications of the focal surface.
  • a final surface-machining step in part in the (internal) state of the art in the production of X-ray rotary anodes, involves grinding the focal surface and surrounding areas such that a rotating abrasive wheel is circumferentially passed over the focal surface, that the orientation of the abrasive structure is tangential. Accordingly, the production of X-ray rotary anodes according to the invention can be realized largely without additional effort by aligning the grinding direction relative to the respective tangential reference direction according to the claimed angular range in the final surface processing step.
  • Another advantage of the aligned abrasive structure over the above-described provision of defined slot structures or defined patterns, which are intended to serve primarily as expansion joints, is that evenly distributed over the focal surface a plurality of cracking bacteria is provided.
  • a plurality of cracking bacteria is provided.
  • the individual grooves of an abrasive structure run comparatively pointedly to the groove bottom, a pronounced increase in stress occurs in this region under tensile stresses, which promotes crack initiation.
  • tensile stresses in the focal surface accordingly, at a plurality of locations (and not only at predefined positions) provides the possibility of forming microcracks, and the kerf surface can respond to the tensile stresses by forming a network of finely divided microcracks.
  • a formation of wide cracks is thereby avoided.
  • the latter are more likely to benefit from the provision of only a limited number of defined slots or other defined structures.
  • an advantage over the provision of defined slot structures or defined patterns is that a comparatively smooth track surface can be provided so that the self-absorption losses are negligible.
  • the inventive construction of the X-ray rotary anode in which the orientation of the abrasive structure is inclined relative to a tangential reference direction in the respective surface portion each with an angle in the range of 15 ° to 90 ° inclusive, the formation of wide and particularly critical, in the radial direction cracks can be prevented.
  • the respectively locally occurring strain in the region of the focal track surface can be determined by simulation and, accordingly, the orientation of the abrasive structure can be chosen such that it runs in each case substantially perpendicular to the orientation of the maximum local strain.
  • the claimed angular range has been found to be an advantageous area.
  • the term "focal path" refers to the surface section of the x-ray rotary anode which is intended to be scanned with an electron beam (and over which the electron beam is correspondingly guided in use). Accordingly, the focal path can form a surface section of a separate, generally ring-shaped, focal-path lining. However, it can also be formed directly on a (in this case substantially monolithic) body of the X-ray rotary anode. In general, further layers, add-on parts, etc., such as a graphite ring, etc., may also be provided on the x-ray rotary anode, in particular on the side remote from the focal track.
  • directional abrasive structure generally refers to surface texturing formed by a uniformly distributed family of individual grooves whose arrangement and dimensions (length, width, depth) are statistically distributed and which are oriented substantially along a preferred direction are (ie, which are substantially parallel to each other). In the process, a substantially smooth surface is achieved overall.
  • the directional abrasive structure is so far undefined that the position and dimensions of the individual grooves are not predetermined, in particular non-periodic or otherwise regular.
  • the directional abrasive structure can be achieved by a relative movement between that for introducing the abrasive structure
  • the abrasive article such as a grinding wheel, polishing pad and inserted mechanical polishing agent, brush) and the focal surface can be created along the desired orientation.
  • the directional abrasive structure is introduced in particular by a grinding process.
  • Grinding refers to a machining, path-controlled manufacturing process for machining surfaces with abrasives.
  • there are also other possibilities for introducing the directional abrasive structure such as, for example, by directional polishing (with a mechanical polishing agent) or by directional brushing.
  • the tangential reference direction is determined locally at the relevant surface section at which the orientation of the abrasive structure is to be determined.
  • a tangential direction (or circumferential direction), a radial direction and an axial direction are defined at the respective point to be characterized on the X-ray rotary anode by the ring shape of the focal track.
  • the angle between the tangential reference direction and the orientation of the abrasive structure is measured in the plane formed by the focal surface in this local area (tangent plane at the measurement point). It should be noted that the focal surface in the respective local area can also be inclined to a radial direction, which is the case in particular in a frustoconical focal track.
  • the focal path may extend only in the plane spanned by the radial directions.
  • orientation of the abrasive structure relative to the tangential reference direction can also vary over different, radial positions, and in this case also continuously in the claimed angular range (from 15 ° to 90 °, in particular from 35 °). 70 °). It can alternatively remain constant.
  • the tangential reference direction is clockwise, as well as the variant that the tangential reference direction runs counterclockwise (in plan view of the X-ray rotary anode).
  • the angle of the alignment Abrasive structure to the tangential reference direction respectively in the desired angular range are.
  • differences may arise as to whether the angle is set relative to a tangential reference direction running in the clockwise direction or relative to a counterclockwise tangential reference direction.
  • Which variant (depending on the particular application as well as the direction of rotation of the X-ray rotary anode in use) is preferable is to be determined in individual cases by experiments.
  • the inclination angle is preferably in a range of from 30 ° to 90 ° inclusive.
  • the orientation of the abrasive structure relative to a tangential reference direction in the respective surface section is inclined over the circumference of the annular focal track and beyond the radial extent of the focal track, in each case at an angle in the range of 60 ° to 90 ° inclusive.
  • This variant is particularly advantageous if, in particular, strains in the tangential direction (or circumferential direction) are to be compensated for in the relevant X-ray rotary anode.
  • strains in the tangential direction or circumferential direction
  • An optimum angle range can be determined in each case specifically as a function of the geometry and the materials used of the particular X-ray rotary anode type. Such a determination can be done in particular simulation-based.
  • the course of the directed abrasive structure is substantially rectilinear.
  • substantially rectilinear is such a course, in which the course is due to the (small) curvature of the surface of the focal track or due to the radially outward occurring expansion is slightly curved.
  • Such a rectilinear course of the abrasive structure can be achieved by a corresponding orientation of the grinding direction of the abrasive (or possibly also the direction of movement of a polishing body or a brush) relative to the tangential reference direction.
  • the X-ray rotary anode is segmented in the region of the focal point surface in such a way that in the circumferential direction in each case segments adjoin one another with a parallel orientation of the abrasive structure within the respective segment.
  • This can be achieved in the context of production in particular by introducing an abrasive structure on a circumferential segment of the X-ray rotary anode with a desired orientation and then subsequently rotating the X-ray rotary anode through an angle section to again produce an abrasive structure with the desired (same orientation) relative to the associated tangential reference direction to bring.
  • the angle between the orientation of the abrasive structure and a tangential reference direction in the respective surface section decreases along a radial direction from the inside to the outside over the radial extent of the focal track.
  • Such an abrasive structure can be introduced, in particular, by rotating the X-ray rotary anode during the introduction of the abrasive structure, while the direction of movement of the abrasive (or possibly also the direction of movement of a polishing body or a brush) is exclusively radial or optionally additionally tangential and / or axial Share has.
  • the mean roughness Ra in the region of the abrasive structure is in a range of from 0.05 ⁇ m to 0.5 ⁇ m inclusive.
  • this area still provides a sufficiently smooth surface with regard to the dose yield, while on the other hand it offers sufficient crack germs for the formation of a fine crack network.
  • different areas can be used be suitable.
  • a comparatively smooth surface is desired, so that the mean roughness Ra is preferably in a range of from 0.05 ⁇ m to 0.15 ⁇ m inclusive.
  • a mean range of from 0.15 ⁇ m to 0.3 ⁇ m inclusive of the mean roughness Ra is suitable.
  • a comparatively high roughness may also be permissible or desired, so that an abrasive structure having an average roughness Ra of 0.3 ⁇ m to 0.5 ⁇ m inclusive is suitable.
  • a measuring section running in a straight line and substantially perpendicular to the orientation of the grinding structure is used.
  • the profile is measured with a touch probe with a feed rate of 0.5 mm / s over a measuring length of 15 mm.
  • the first and the last 2.5 mm of the measured section are not evaluated but only the middle part of 10 mm length.
  • a filter according to ISO 16610-31 is used as part of the evaluation of the measurement data.
  • the average roughness Ra is determined in accordance with DIN EN ISO 4287: 2010-07.
  • the abrasive structure extends beyond the region of the focal path.
  • the abrasive structure extends both radially inwardly and radially outwardly beyond the region of the focal path. This takes into account that considerable thermal loads and also deformation of the entire body of the X-ray rotary anode occur even in the area adjoining the focal point. This development makes it possible to support the formation of a fine fracture network in this area as well.
  • the fuel track material in the region of the focal track is formed by tungsten or by a tungsten-based alloy.
  • tungsten-based alloy reference is made in particular to an alloy containing tungsten as the main constituent, ie to a higher proportion (measured in weight percent) than each, the other Has elements.
  • the focal lane is formed from a tungsten-rhenium alloy which may have a rhenium content of up to 26% by weight (wt%: wt%). In particular, the rhenium content is in a range of 5 to 10 wt.%.
  • the materials mentioned are advantageous in view of the high, thermal loads and with regard to the highest possible emissivity of X-radiation.
  • the body of the X-ray rotary anode is formed completely or alternatively only the carrier body of the X-ray rotary anode (on which a focal point lining is formed) made of molybdenum or a molybdenum-based alloy (eg TZM or also MHC). These materials have proven particularly useful in view of the high thermal and mechanical loads.
  • a molybdenum-based alloy is particularly referred to an alloy containing molybdenum as the main constituent, i. to a higher proportion (measured in weight percent) than any other containing element.
  • the molybdenum-based alloy may have a content of at least 80 wt.% (Wt.%: Wt.%) Of molybdenum, in particular of at least 98 wt.% Of molybdenum.
  • MHC is a molybdenum alloy which has an Hf content of 1.0 to 1.3% by weight (Hf: hafnium), a C content of 0.05-0.12% by weight, has an O content of less than 0.06 wt% and the remaining portion (other than impurities) molybdenum.
  • the x-ray rotary anode has a carrier body and a focal point coating formed on the carrier body, on which the focal path runs.
  • the materials can be adapted specifically to the requirements existing in the region of the focal point (high dose yield, high thermal load capacity) and, on the other hand, specifically to the requirements existing in the region of the carrier body (high mechanical strength, high thermal resistance, good heat dissipation).
  • the generally ring-shaped formed Brennbahnbelag extends on both sides (ie radially inward and radially outward) beyond the focal distance.
  • the abrasive structure - in particular on both sides (ie, radially inward and radially outward) - extends beyond the focal length.
  • the carrier body is formed from molybdenum or a molybdenum-based alloy (eg TZM, MHC, etc.) and that the focal path is formed from tungsten or a tungsten-based alloy.
  • the present invention further relates to a method for producing an x-ray rotary anode in which a directed abrasive structure is introduced at least in the region of an annular focal path of the x-ray rotary anode such that over the circumference of the annular focal track and over the radial extent of the focal track, the orientation of the abrasive structure is inclined relative to a tangential reference direction in the respective surface portion in each case with an angle in the range of 15 ° inclusive including 90 °.
  • the inventive method is characterized by the fact that an X-ray rotary anode can be provided by simple, inexpensive and reproducible feasible process steps, in which the occurrence of fatigue phenomena in the region of the focal surface can be significantly delayed.
  • it is possible to produce X-ray rotary anodes with the features explained above and in the following description part. Accordingly, reference is also made with respect to the inventive method to the explained to the X-ray rotary anode advantages.
  • the refinements and variants explained with reference to the x-ray rotary anode can also be realized in a corresponding manner, which may possibly be feasible by a corresponding adaptation of the method steps.
  • the x-ray rotary anode has a carrier body and a focal point coating formed thereon, then in principle it is also possible to first introduce the abrasive structure into the focal point coating and then attach the focal point coating to the carrier body (for example by soldering).
  • the abrasive structure is introduced into the focal track only when the track surface is already firmly connected to the carrier body (for example, by the carrier body and the fuel track are produced by powder metallurgy in the composite, or by the track coating by a vacuum plasma spraying on the carrier body is applied).
  • the occurrence of edges in the transition region between the track surface and carrier body can be avoided.
  • the step of introducing the abrasive structure forms the last, in the region of the focal point surface material-removing machining step in the production of the X-ray rotary anode.
  • the abrasive structure is introduced in particular by directional grinding, directional polishing and / or directional brushing.
  • grinding is preferred.
  • an abrasive e.g., grinding wheel
  • abrasive grains e.g., silicon carbide or diamond
  • Such an abrasive is particularly suitable for a tungsten or tungsten based alloy (e.g., tungsten-rhenium alloy) trace material.
  • an abrasive body is moved to introduce the abrasive structure such that its abrasive surface at least proportionally moves in the radial direction, and further that the abrasive body and the focal path are moved relative to each other in the circumferential direction (continuously during the introduction of the abrasive structure or intermittently by an angle section each between the processing steps).
  • the x-ray rotary anode is rotated about its axis of symmetry.
  • Fig. 1 is shown schematically the structure of a Röntgenformatanode -2-.
  • the X-ray rotary anode -2- is rotationally symmetrical to a rotational axis of symmetry -4- formed.
  • the rotation symmetry axis -4- is simultaneously an axial direction -6-, each of which runs through the relevant point to be characterized and parallel to the axis of rotation of symmetry -4-determined.
  • Perpendicular to the axial direction -6- extend the tangential direction -8- (in the present case opposite to the clockwise direction), which forms a tangent to the circumference in the respective point, and the radial direction -10-, perpendicular to the tangential -8- and the axial direction -6- stands.
  • the X-ray rotary anode -2- has a plate-shaped carrier body -12- which can be mounted on a corresponding shaft.
  • an annular focal lamination -14- is applied on the carrier body -12-.
  • the portion over which the annular focal lamination -14- extends, has the shape of a truncated cone (a flat cone).
  • the inclination of the surface of the Brennbahnbelags -14- is in Fig. 1 represented by the dashed line 15. The inclination is for example 12 ° relative to the radial direction -10-.
  • the Brennbahnbelag -4- covers at least the region of the support body -12-, which is intended for scanning with an electron beam and thus the Burning lane -16- forms.
  • a directional abrasive structure -18- is provided which extends over the entire, inclined surface of the focal-web covering -14-.
  • the orientation of the abrasive structure -18- is shown schematically as individual lines -20-.
  • the lines -20- merely represent the orientation of the abrasive structure and do not represent individual grinding marks. The latter are namely, as explained above, statistically distributed and have different dimensions. Only its course extends essentially along the illustrated lines -20-.
  • the abrasive structure -18-the in Fig. 2 illustrated, the first embodiment has a curved orientation.
  • the angle between the orientation of the abrasive structure -18- and a tangential reference direction -8- in the respective surface section decreases.
  • An introduction of such an abrasive structure -18- can be done in particular by rotating the X-ray rotary anode -2- during the introduction of the abrasive structure -18-, while the direction of movement of the abrasive is exclusively radial or optionally additionally tangential and / or axial portion (e.g., incorporation using a 5-axis grinder).
  • Such a direction of movement of the abrasive can be done in particular by rotation of a cup wheel with a corresponding orientation of the axis of rotation.
  • a directed abrasive structure -22- is provided, which in turn extends over the entire inclined surface of the Brennbahnbelags -14-.
  • the abrasive structure -22- is formed such that in the circumferential direction in each case segments with a parallel within the respective segment alignment of the abrasive structure -22- join each other.
  • the orientation of the abrasive structure within the respective segment is shown schematically as individual lines -24- at individual circumferential sections of the focal-web covering -14-.
  • the directional abrasive structure -22- of the Fig. 3 illustrated second embodiment has within the respective segment on a substantially rectilinear course.
  • the individual segments in the radially inner region are each narrower than in the radially outer region.
  • the orientation of the abrasive structure -22- remains substantially constant relative to the tangential reference direction -8-.
  • a substantially finer and more uniform crack network is formed than after the (internal) state the technique with an orientation of the abrasive structure in the tangential direction.
  • an angle in the range of up to and including 70 ° has proven to be particularly advantageous, in which the microcracks induced by the abrasive structure with their cumulative crack width are the total deformation of the focal path in use both in the radial direction and in the tangential direction compensate.
  • a further advantage is that due to the formation of fine microcracks the X-ray rotary anodes according to the invention, in addition to the increase in bursting safety and high-voltage stability, also have a significantly slower dose drop over the life of the X-ray rotary anode. This is attributed to the following effects: on the one hand, the crack widths and crack depths are reduced; on the other hand, the microcracks have a radial component. Both effects contribute in use to a reduction of the self-absorption of the X-radiation and thus to a comparatively high dose yield.
  • X-ray rotary anodes with a tungsten-rhenium alloy (10 wt.% Rhenium, 90 wt.% Tungsten) hardfacing firmly bonded to the molybdenum alloy support body were first pre-smoothed by precision turning. After the fine turning of the focal point lining, a directional grinding structure was introduced with a fine-grained diamond grinding wheel.
  • the cup diamond wheel had a grade of D76 indicated by the standard issued by FEPA (Fédération Europeene des Fabricants de Produits Abrasifs).
  • an arrangement was chosen in which the axis of rotation of the cup diamond grinding wheel was aligned substantially perpendicular to the focal surface (relative to the point of contact of the cup wheel with the focal path) and with respect to the radial direction substantially center of the focal path.
  • the arrangement was further chosen such that an annular grinding surface formed on the face side of the cup diamond grinding wheel, which is oriented perpendicular to the axis of rotation (the cup diamond grinding wheel), is rotated on a peripheral portion (the rotating one Pot-type diamond grinding wheel) engaged in the raceway surface while the opposite peripheral portion was spaced from the focal line.
  • the cup diamond grinding wheel and the x-ray rotating anode in this arrangement were respectively rotated about their axes of rotation using oil as the lubricant.
  • the inclination of the orientation of the introduced abrasive structure relative to the tangential reference direction depends on the relative speeds of the focal path relative to the grinding surface of the cup diamond wheel.
  • the rotational speed of the cup diamond grinding wheel must be sufficiently high relative to the rotational speed of the X-ray rotating anode to achieve a tendency of the orientation of the grinding structure relative to the tangential reference direction.
  • the X-ray rotary anode was rotated at 100 revolutions per minute, with the focal length extending over a radius of about 75 mm to about 100 mm of the X-ray rotary anode, and the cup diamond grinding wheel had a speed of 20 m / s in the area of the grinding surface ( Meters / second).
  • the resulting abrasive structure was substantially rectilinear, with a slight curvature due to the radius (62.5 mm in the present case) of the cup diamond wheel.
  • the orientation of the abrasive structure was approximately 85 ° -90 ° relative to the tangential reference direction (ie, approximately radial).
  • the present invention is not limited to the above-explained embodiments.
  • the outer shape and structure of the X-ray rotary anode may deviate from the X-ray rotary anode -2- shown in the figures.
  • the focal-path covering covers only a part of the frustoconical section and adjoins the surface of the support body radially inwardly and / or radially outwardly in the same plane on the surface of the focal-path covering.
  • the respective (inclined) surface portions of the carrier body may be provided with an abrasive structure.
  • the X-ray rotary anode has no separate focal track coating and the focal path on a substantially monolithic body (apart from attachments such as a graphite ring, etc.) is formed.
  • provision may be made for the surface in question to be smoothed as far as possible prior to the introduction of the abrasive structure in order to eliminate as far as possible the influences of existing structures on the surface.
  • smoothing can be done for example by mechanical polishing and / or electropolishing.
  • the X-ray rotary anode can only be coarsely pre-rotated in the circumferential direction in order to introduce relatively coarse grooves which are aligned in the circumferential direction.
  • the directional abrasive structure according to the invention which extends at least predominantly in the radial direction, can be introduced in such a way that the grooves resulting from the turning at least partially remain intact. In this way, grooves and thus directed cracking nuclei are provided, which have at least two different orientations at the respective surface sections and accordingly support the formation of a fine crack network.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgendrehanode mit einer ringförmigen Brennbahn, wobei die Brennbahn-Oberfläche eine gerichtete Schleifstruktur aufweist.
  • Röntgendrehanoden werden in Röntgenröhren zur Erzeugung von Röntgenstrahlen eingesetzt. Röntgengeräte mit solchen Röntgendrehanoden werden insbesondere im medizinischen Bereich bei der bildgebenden Diagnostik eingesetzt. Im Einsatz werden Elektronen aus einer Kathode der Röntgenröhre emittiert und in Form eines fokussierten Elektronenstrahls auf die, in Rotation versetzte Röntgendrehanode beschleunigt. Ein Großteil der Energie des Elektronenstrahls wird in der Röntgendrehanode in Wärme umgewandelt, während ein kleiner Anteil als Röntgenstrahlung abgestrahlt wird. Die lokal freigesetzten Wärmemengen führen zu einer starken Aufheizung der Röntgendrehanode.
  • Durch den Elektronenstrahl wird im Einsatz aufgrund der Drehbewegung der Röntgendrehanode eine ringförmige Bahn (Brennbahn) abgetastet. In der Regel weisen Röntgendrehanoden im Bereich der Brennbahn einen, auf einem Trägerkörper ausgebildeten Brennbahnbelag auf. Durch die zyklische, thermomechanische Belastung im Brennfleck (Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf die Röntgendrehanode) treten im Bereich der Brennbahn-Oberfläche zyklische Druck-/Zug-Spannungen auf, die wiederum zu plastischen Verformungen im Bereich der Brennbahn-Oberfläche wie auch im Körper der Röntgendrehanode führen. Druckspannungen entstehen dabei durch Ausdehnung des durch den Elektronenstrahl beaufschlagten Volumenelements gegenüber dem vergleichsweise kälteren Umfeld. Zugspannungen treten aufgrund der bei hohen Temperaturen stattfindenden plastischen Verformung und aufgrund der bei dem nachfolgenden Abkühlen auftretenden Kontraktion des zuvor stark erwärmten Volumenelements auf. Als Folge dessen bildet sich ein Netzwerk von Mikro- und Makrorissen auf der Brennbahn-Oberfläche aus. Dabei bilden sich zum Teil Risse mit Breiten bis über 100 µm aus. Derartige Makrorisse wirken sich besonders nachteilig auf die Dosisausbeute und damit auf die Bildqualität aus. Ferner besteht die Gefahr einer Rissausbreitung bis tief in den Körper der Röntgendrehanode hinein, wodurch das Risiko eines Materialausbruchs oder eines Bruchs der Röntgendrehanode erhöht wird.
  • In der DE 10 2007 024 255 A1 wird vorgeschlagen, durch elektrochemisches Ätzen ein Muster in die Brennbahn-Oberfläche einzubringen. Die DE 103 60 018 A1 beschreibt eine Röntgendrehanode, bei der in der betreffenden Oberfläche zumindest bereichsweise definierte Mikroschlitze angeordnet sind. Bei beiden Varianten liegt der Schwerpunkt darauf, dass durch die definierten Strukturen, bei denen die relative Anordnung und die Abmessungen der einzelnen Rillen bzw. Schlitze vorbestimmt ist, im Wesentlichen die Wirkung von Dehnfugen erzielt wird. Insbesondere soll eine kontrollierte Ausdehnung und eine kontrollierte Freigabe der elastischen Energie ermöglicht werden. Weiterhin ist bei der DE 10 2007 024 255 A1 auch beschrieben, dass die Oberflächenstruktur einer kontrollierten Mikrorissbildung dienen kann. Die Einbringung solcher definierter Strukturen ist aufwändig und mit hohen Kosten verbunden. In der JP 2005/158589 A ist die Nachbearbeitung der Brennbahn einer eingebauten und sich drehenden Röntgendrehanode mittels Schleifen beschrieben, um eine ggf. bestehende Unwucht zu korrigieren.
  • Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Röntgendrehanode bereitzustellen, die kostengünstig in der Herstellung ist und bei der das Auftreten von Ermüdungserscheinungen im Einsatz möglichst effektiv unterdrückt werden kann. Die Aufgabe besteht ferner in der Bereitstellung eines entsprechenden Verfahrens zur Herstellung einer Röntgendrehanode.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Röntgendrehanode mit einer ringförmigen Brennbahn bereitgestellt, bei der die Brennbahn-Oberfläche eine gerichtete Schleifstruktur aufweist. Über den Umfang der ringförmigen Brennbahn hinweg und über die radiale Erstreckung der Brennbahn hinweg ist die Ausrichtung der Schleifstruktur relativ zu einer tangentialen Referenzrichtung in dem jeweiligen Oberflächenabschnitt jeweils mit einem Winkel im Bereich von einschließlich 15° bis einschließlich 90° geneigt.
  • Insbesondere weist die Röntgendrehanode diese Merkmale auf, bevor sie erstmalig in eine Röntgenröhre verbaut und darin einem Elektronenstrahl ausgesetzt wird. Nach längeren Einsatzzeitdauern können Alterungseffekte auftreten, welche - wie beschrieben wird - zu Modifikationen der Brennbahn-Oberfläche führen.
  • Gegenüber den, aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen einer Einbringung von definierten Schlitzstrukturen oder definierten Mustern ist die Einbringung einer gerichteten Schleifstruktur mit deutlich weniger Aufwand verbunden, zumal es im Hinblick auf die Erzielung einer möglichst glatten Oberfläche im Bereich der Brennbahn ohnehin vorteilhaft ist, diese in einem abschließenden Oberflächen-Bearbeitungsschritt durch Schleifen zu glätten. Ein zum Teil im (internen) Stand der Technik bei der Herstellung von Röntgendrehanoden durchgeführter, abschließender Oberflächen-Bearbeitungsschritt besteht in dem Schleifen der Brennbahn-Oberfläche und der umliegenden Bereiche derart, dass eine rotierende Schleifscheibe derart in Umfangsrichtung über die Brennbahn-Oberfläche geführt wird, dass die Ausrichtung der Schleifstruktur jeweils tangential ist. Dementsprechend kann weitgehend ohne zusätzlichen Aufwand die Herstellung von erfindungsgemäßen Röntgendrehanoden einfach dadurch realisiert werden, dass bei dem abschließenden Oberflächen-Bearbeitungsschritt die Schleifrichtung relativ zu der jeweiligen tangentialen Referenzrichtung gemäß dem beanspruchten Winkelbereich ausgerichtet wird.
  • Ein weiterer Vorteil der ausgerichteten Schleifstruktur gegenüber der oberhalb beschriebenen Vorsehung von definierten Schlitzstrukturen oder definierten Mustern, die vor allem als Dehnfugen dienen sollen, besteht darin, dass gleichmäßig über die Brennbahn-Oberfläche fein verteilt eine Vielzahl von Risskeimen bereitgestellt wird. Indem die einzelnen Riefen einer Schleifstruktur zudem vergleichsweise spitz am Riefengrund zulaufen, tritt in diesem Bereich bei Zugspannungen eine ausgeprägte Spannungsüberhöhung auf, was die Risseinleitung begünstigt. Bei Auftreten von Zugspannungen in der Brennbahn-Oberfläche wird dementsprechend an einer Vielzahl von Stellen (und nicht nur an vordefinierten Positionen) die Möglichkeit der Ausbildung von Mikrorissen bereitgestellt und die Brennbahn-Oberfläche kann durch die Ausbildung eines Netzes von fein verteilten Mikrorissen auf die Zugspannungen reagieren. Eine Ausbildung von breiten Rissen wird dadurch vermieden. Letztere werden eher bei der Vorsehung von nur einer begrenzten Anzahl definierter Schlitze oder anderweitiger definierter Strukturen begünstigt. Weiterhin ist ein Vorteil gegenüber der Vorsehung von definierten Schlitzstrukturen oder definierten Mustern, dass eine vergleichsweise glatte Brennbahn-Oberfläche bereitgestellt werden kann, so dass die Selbstabsorptionsverluste vernachlässigbar sind.
  • Im Rahmen der oberhalb angegebenen Aufgabenstellung wurden bisherige Röntgendrehanoden, die (nach dem internen Stand der Technik) eine in Umfangsrichtung ausgerichtete Schleifstruktur aufwiesen, eingehend untersucht. Es konnte dabei nach längeren Einsatzdauern derselben festgestellt werden, dass zwar ein vergleichsweise feines Netz von in Umfangsrichtung ausgerichteten Mikrorissen ausgebildet wird, das sich mit zunehmender Einsatzzeitdauer dahingehend verstärkt, dass die akkumulierten Rissbreiten zunehmen. In radialer Richtung hingegen treten deutlich weniger und deutlich breitere Risse auf. Diese können dabei je nach Mikrogefüge der Brennbahn auch unregelmäßig (z.B. zig-zag-förmig) nahe der Radialrichtung verlaufen und bei der Bildung pro Rissereignis deutlich mehr Energie freisetzen. Dies führt einerseits zu einem hohen Dosisverlust, da die Risse mit zunehmender Breite als immer effizientere Elektronenfalle wirken. Ferner steigt die Wahrscheinlichkeit der Partikelfreisetzung durch thermische und mechanische Isolation von Körnern an spitzwinkligen Rissverschneidungen, was die Gefahr von bildstörenden Hochspannungsinstabilitäten birgt. Aus den Analysen der Rissmuster lässt sich ableiten, dass Schleifriefen durch die dort auftretende Spannungsüberhöhung als Antwort auf die Druck-/Zugbeanspruchung in der Brennbahn und auf die thermische und plastische Verformung des Körpers der Röntgendrehanode die Ausbildung von Mikrorissen, die entlang der Ausrichtung der Schleifriefen verlaufen, fördern.
  • Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Röntgendrehanode, bei der die Ausrichtung der Schleifstruktur relativ zu einer tangentialen Referenzrichtung in dem jeweiligen Oberflächenabschnitt jeweils mit einem Winkel im Bereich von einschließlich 15° bis einschließlich 90° geneigt ist, die Ausbildung von breiten und besonders kritischen, in Radialrichtung verlaufenden Rissen verhindert werden kann. Die jeweils lokal auftretende Dehnung im Bereich der Brennbahn-Oberfläche kann durch Simulation bestimmt werden und dementsprechend kann die Ausrichtung der Schleifstruktur derart gewählt werden, dass sie jeweils im Wesentlichen senkrecht zu der Ausrichtung der maximalen, lokalen Dehnung verläuft. Dabei hat sich der beanspruchte Winkelbereich als vorteilhafter Bereich herausgestellt.
  • Als "Brennbahn" wird in dem vorliegenden Zusammenhang der Oberflächenabschnitt der Röntgendrehanode bezeichnet, der zum Abtasten mit einem Elektronenstrahl bestimmt ist (und über den im Einsatz dementsprechend der Elektronenstrahl geführt wird). Die Brennbahn kann dementsprechend einen Oberflächenabschnitt eines separaten, in der Regel ringförmig ausgebildeten Brennbahnbelags bilden. Sie kann aber auch direkt auf einem (in diesem Fall im Wesentlichen monolithisch ausgebildeten) Körper der Röntgendrehanode ausgebildet sein. Allgemein können an der Röntgendrehanode, insbesondere auf der von der Brennbahn abgewandten Seite, auch noch weitere Schichten, Anbauteile, etc., wie beispielsweise ein Graphitring, etc., vorgesehen sein. Mit "gerichteter Schleifstruktur" wird allgemein auf eine Oberflächenstrukturierung Bezug genommen, die durch eine gleichmäßig verteilte Schar von Einzelriefen bzw. Einzelrillen gebildet wird, deren Anordnung und deren Abmessungen (Länge, Breite, Tiefe) statistisch verteilt sind und die im Wesentlichen entlang einer Vorzugsrichtung ausgerichtet sind (d.h. die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen). Dabei wird insgesamt eine, im Wesentlichen glatte Oberfläche erzielt. Die gerichtete Schleifstruktur ist insoweit undefiniert, dass die Position und die Abmessungen der einzelnen Riefen nicht vorbestimmt, insbesondere nicht periodisch oder anderweitig regelmäßig, ist. Die gerichtete Schleifstruktur kann durch eine Relativbewegung zwischen dem zum Einbringen der Schleifstruktur eingesetzten Gegenstand (Schleifmittel, wie beispielsweise eine Schleifscheibe; Polierkörper bzw. Polierblock und eingesetztes, mechanisches Poliermittel; Bürste) und der Brennbahn-Oberfläche entlang der gewünschten Ausrichtung erzeugt werden. Die gerichtete Schleifstruktur wird insbesondere durch einen Schleifvorgang eingebracht. Mit "Schleifen" wird auf ein spanendes, wegbestimmtes Fertigungsverfahren zur Bearbeitung von Oberflächen mit Schleifmitteln Bezug genommen. Es bestehen grundsätzlich aber auch noch andere Möglichkeiten zur Einbringung der gerichteten Schleifstruktur, wie beispielsweise durch ein gerichtetes Polieren (mit einem mechanischen Poliermittel) oder durch gerichtetes Bürsten.
  • Die tangentiale Referenzrichtung wird jeweils lokal an dem betreffenden Oberflächenabschnitt, an dem die Ausrichtung der Schleifstruktur ermittelt werden soll, bestimmt. Eine tangentiale Richtung (bzw. Umfangsrichtung), eine radiale Richtung und eine axiale Richtung sind an dem jeweils zu charakterisierenden Punkt auf der Röntgendrehanode durch die Ringform der Brennbahn definiert. Der Winkel zwischen der tangentialen Referenzrichtung und der Ausrichtung der Schleifstruktur wird in der Ebene gemessen, die durch die Brennbahn-Oberfläche in diesem lokalen Bereich gebildet wird (Tangentialebene an dem Messpunkt). Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Brennbahn-Oberfläche in dem jeweiligen, lokalen Bereich auch zu einer radialen Richtung geneigt sein kann, was insbesondere bei einer kegelstumpfförmigen Brennbahn der Fall ist. Alternativ kann sich die Brennbahn ausschließlich in der Ebene, die durch die radialen Richtungen aufgespannt wird, erstrecken. Ferner ist zu berücksichtigen, dass sich die Ausrichtung der Schleifstruktur relativ zu der tangentialen Referenzrichtung auch über verschiedene, radiale Positionen hinweg ändern kann, wobei sie auch in diesem Fall durchgehend in dem beanspruchten Winkelbereich (von 15° - 90°, insbesondere von 35° - 70°) liegt. Sie kann alternativ aber auch konstant bleiben. Weiterhin ist sowohl die Variante umfasst, dass die tangentiale Referenzrichtung im Uhrzeigersinn verläuft, als auch die Variante, dass die tangentiale Referenzrichtung gegen den Uhrzeigersinn (bei Draufsicht auf die Röntgendrehanode) verläuft. Gemäß der vorliegenden Erfindung soll zumindest bei einer dieser beiden Möglichkeiten der Winkel der Ausrichtung der Schleifstruktur zu der tangentialen Referenzrichtung jeweils in dem gewünschten Winkelbereich (z.B. von 15° - 90°) liegen. Dabei können sich - je nach Anwendung und Drehrichtung der Röntgendrehanode im Einsatz - Unterschiede ergeben, ob der Winkel relativ zu einer, im Uhrzeigersinn verlaufenden, tangentialen Referenzrichtung oder relativ zu einer, entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden, tangentialen Referenzrichtung eingestellt wird. Welche Variante (in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung sowie von der Drehrichtung der Röntgendrehanode im Einsatz) vorzuziehen ist, ist im Einzelfall durch Versuche zu ermitteln.
  • Dabei hat sich herausgestellt, dass die als besonders nachteilig empfundene Ausbildung von breiten, radialen Rissen umso effektiver vermieden werden kann, je größer der Neigungswinkel der Ausrichtung der Schleifstruktur relativ zu der tangentialen Referenzrichtung ist. Dementsprechend liegt der Neigungswinkel bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 30° bis einschließlich 90°. Gemäß einer Weiterbildung ist über den Umfang der ringförmigen Brennbahn hinweg und über die radiale Erstreckung der Brennbahn hinweg die Ausrichtung der Schleifstruktur relativ zu einer tangentialen Referenzrichtung in dem jeweiligen Oberflächenabschnitt jeweils mit einem Winkel im Bereich von einschließlich 60° bis einschließlich 90° geneigt. Diese Variante ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn bei der betreffenden Röntgendrehanode vor allem Dehnungen in tangentialer Richtung (bzw. Umfangsrichtung) auszugleichen sind. Durch einen Winkel der Ausrichtung im Bereich von mindestens 35° bis maximal 70° relativ zu der tangentialen Referenzrichtung können Zugspannungen sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung effektiv ausgeglichen werden. Ein optimaler Winkelbereich kann jeweils spezifisch in Abhängigkeit von der Geometrie und den eingesetzten Materialien des jeweiligen Röntgendrehanodentyps ermittelt werden. Solch eine Ermittlung kann insbesondere simulationsgestützt erfolgen.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist der Verlauf der gerichteten Schleifstruktur im Wesentlichen geradlinig. Als "im Wesentlichen geradlinig" wird auch noch ein solcher Verlauf angesehen, bei dem der Verlauf aufgrund der (geringen) Krümmung der Oberfläche der Brennbahn oder aufgrund der radial nach außen auftretenden Aufweitung leicht gekrümmt ist. Ein solch geradliniger Verlauf der Schleifstruktur kann durch eine entsprechende Ausrichtung der Schleifrichtung des Schleifmittels (oder gegebenenfalls auch der Bewegungsrichtung eines Polierkörpers oder einer Bürste) relativ zu der tangentialen Referenzrichtung erzielt werden. Weiterhin kann dabei vorgesehen sein, dass die Röntgendrehanode im Bereich der Brennbahn-Oberfläche dahingehend segmentiert ist, dass sich in Umfangsrichtung jeweils Segmente mit einer innerhalb des betreffenden Segments parallelen Ausrichtung der Schleifstruktur aneinander anschließen. Dies kann im Rahmen der Herstellung insbesondere dadurch erzielt werden, dass eine Schleifstruktur an einem Umfangssegment der Röntgendrehanode mit einer gewünschten Ausrichtung eingebracht wird und anschließend dann die Röntgendrehanode um einen Winkelabschnitt weiterrotiert wird, um erneut eine Schleifstruktur mit der gewünschten (gleichen Ausrichtung) relativ zu der zugehörigen, tangentialen Referenzrichtung einzubringen.
  • Gemäß einer Weiterbildung nimmt entlang einer radialen Richtung von innen nach außen über die radiale Erstreckung der Brennbahn hinweg der Winkel zwischen der Ausrichtung der Schleifstruktur und einer tangentialen Referenzrichtung in dem jeweiligen Oberflächenabschnitt ab. Dies ist unter anderem im Hinblick auf eine einfache Herstellung vorteilhaft. Eine solche Schleifstruktur kann insbesondere dadurch eingebracht werden, dass die Röntgendrehanode während der Einbringung der Schleifstruktur rotiert wird, während die Bewegungsrichtung des Schleifmittels (oder gegebenenfalls auch die Bewegungsrichtung eines Polierkörpers oder einer Bürste) ausschließlich radial ist oder ggf. zusätzlich einen tangentialen und/oder axialen Anteil aufweist.
  • Gemäß einer Weiterbildung liegt im Bereich der Schleifstruktur die mittlere Rautiefe Ra in einem Bereich von einschließlich 0,05 µm bis einschließlich 0,5 µm. Dieser Bereich bietet einerseits im Hinblick auf die Dosisausbeute noch eine ausreichend glatte Oberfläche, auf der anderen Seite bietet er ausreichend Risskeime für die Ausbildung eines feinen Rissnetzwerkes. Je nach Anwendung und Einsatzbedingungen können hierbei unterschiedliche Bereiche geeignet sein. Insbesondere ist bei bestimmten Anwendungen eine vergleichsweise glatte Oberfläche gewünscht, so dass die mittlere Rautiefe Ra vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 0,05 µm bis einschließlich 0,15 µm liegt. Für viele Anwendungen ist ein mittlerer Bereich von einschließlich 0,15 µm bis einschließlich 0,3 µm der mittleren Rautiefe Ra geeignet. Weiterhin kann bei bestimmten Anwendungen auch eine vergleichsweise hohe Rauigkeit zulässig bzw. gewünscht sein, so dass eine Schleifstruktur mit einer mittleren Rautiefe Ra von einschließlich 0,3 µm bis einschließlich 0,5 µm geeignet ist. Zur Bestimmung der mittleren Rautiefe wird dabei eine geradlinig und im Wesentlichen senkrecht zu der Ausrichtung der Schleifstruktur verlaufende Messstrecke verwendet. Dabei wird das Profil mit einem berührenden Taster mit einem Vorschub von 0,5 mm/s über eine Messstrecke von 15 mm Länge gemessen. Die ersten und die letzten 2,5 mm der gemessenen Messstrecke werden nicht ausgewertet, sondern nur der mittlere Teil von 10 mm Länge. Im Rahmen der Auswertung der Messdaten wird ein Filter gemäß ISO 16610-31 angewendet. Die Bestimmung der mittleren Rautiefe Ra erfolgt gemäß DIN EN ISO 4287:2010-07.
  • Gemäß einer Weiterbildung erstreckt sich die Schleifstruktur über den Bereich der Brennbahn hinaus. Insbesondere erstreckt sich die Schleifstruktur sowohl radial nach innen als auch radial nach außen über den Bereich der Brennbahn hinaus. Dadurch wird berücksichtigt, dass auch in dem, an die Brennbahn angrenzenden Bereich erhebliche thermische Belastungen und auch eine Verformung des gesamten Körpers der Röntgendrehanode auftreten. Durch diese Weiterbildung wird ermöglicht, dass auch in diesem Bereich die Ausbildung eines feinen Rissnetzwerkes unterstützt wird.
  • Gemäß einer Weiterbildung wird das Brennbahnmaterial im Bereich der Brennbahn durch Wolfram oder durch eine Wolfram basierte Legierung gebildet. Insbesondere ist nur ein auf einem Trägerkörper ausgebildeter Brennbahnbelag aus den genannten Materialien gebildet. Mit einer Wolfram-basierten Legierung wird insbesondere auf eine Legierung Bezug genommen, die Wolfram als Hauptbestandteil, d.h. zu einem höheren Anteil (gemessen in Gewichtsprozent) als jedes, der jeweils anderen, enthaltenen Elemente aufweist. Insbesondere wird die Brennbahn aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung gebildet, die einen Rhenium-Anteil von bis zu 26 Gew.% (Gew.%: Gewichtsprozent) aufweisen kann. Insbesondere liegt der Rhenium-Anteil in einem Bereich von 5 - 10 Gew.%. Die genannten Materialien sind im Hinblick auf die hohen, thermischen Belastungen und im Hinblick auf eine möglichst hohe Emissivität von Röntgenstrahlung vorteilhaft.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist der Körper der Röntgendrehanode vollständig oder alternativ nur der Trägerkörper der Röntgendrehanode (auf dem ein Brennbahnbelag ausgebildet ist) aus Molybdän oder einer Molybdän-basierten Legierung (z. B. TZM oder auch MHC) gebildet. Diese Materialien haben sich im Hinblick auf die hohen thermischen und mechanischen Belastungen besonders bewährt. Mit einer Molybdän-basierten Legierung wird insbesondere auf eine Legierung Bezug genommen, die Molybdän als Hauptbestandteil, d.h. zu einem höheren Anteil (gemessen in Gewichtsprozent) als jedes, der jeweils anderen, enthaltenen Elemente aufweist. Insbesondere kann die Molybdän-basierte Legierung einen Anteil von mindestens 80 Gew.% (Gew.%: Gewichtsprozent) Molybdän, insbesondere von mindestens 98 Gew.% Molybdän aufweisen. Als MHC wird in diesem Zusammenhang eine Molybdän-Legierung bezeichnet, die einen Hf-Anteil von 1,0 bis 1,3 Gew.% (Hf: Hafnium), einen C-Anteil von 0,05-0,12 Gew.%, einen O-Anteil von weniger als 0,06 Gew.% und den verbleibenden Anteil (abgesehen von Verunreinigungen) Molybdän aufweist.
  • Gemäß einer Weiterbildung weist die Röntgendrehanode einen Trägerkörper und einen, auf dem Trägerkörper ausgebildeten Brennbahnbelag, auf welchem die Brennbahn verläuft, auf. Auf diese Weise können die Materialien einerseits gezielt an die im Bereich der Brennbahn bestehenden Anforderungen (hohe Dosisausbeute, hohe thermische Belastbarkeit) und andererseits gezielt an die im Bereich des Trägerkörpers bestehenden Anforderungen (hohe mechanische Belastbarkeit, hohe thermische Belastbarkeit, gute Wärmeabführung) angepasst werden. Insbesondere erstreckt sich der in der Regel ringförmig ausgebildete Brennbahnbelag beidseitig (d.h. radial nach innen und radial nach außen) über die Brennbahn hinaus. Sofern seitlich (radial nach innen und/oder radial nach außen) an die Oberfläche des Brennbahnbelags in der gleichen Ebene auch die Oberfläche des Trägerkörpers anschließt, ist bevorzugt, dass sich die Schleifstruktur- insbesondere beidseitig (d.h. radial nach innen und radial nach außen) - über den Brennbahnbelag hinaus erstreckt. Dadurch wird an der Oberfläche ein gleichmäßiger Übergang zwischen Brennbahnbelag und Trägerkörper erzielt. Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Trägerkörper aus Molybdän oder einer Molybdän-basierten Legierung (z.B. TZM, MHC, etc.) und dass die Brennbahn aus Wolfram oder einer Wolfram-basierten Legierung gebildet werden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Röntgendrehanode, bei welchem zumindest in dem Bereich einer ringförmigen Brennbahn der Röntgendrehanode eine gerichtete Schleifstruktur derart eingebracht wird, dass über den Umfang der ringförmigen Brennbahn hinweg und über die radiale Erstreckung der Brennbahn hinweg die Ausrichtung der Schleifstruktur relativ zu einer tangentialen Referenzrichtung in dem jeweiligen Oberflächenabschnitt jeweils mit einem Winkel im Bereich von einschließlich 15° bis einschließlich 90° geneigt ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch einfach, kostengünstig und reproduzierbar durchführbare Verfahrensschritte eine Röntgendrehanode bereitstellbar ist, bei der das Auftreten von Ermüdungserscheinungen im Bereich der Brennbahn-Oberfläche erheblich verzögert werden kann. Insbesondere können durch das erfindungsgemäße Verfahren Röntgendrehanoden mit den oberhalb und in dem nachfolgenden Beschreibungsteil erläuterten Merkmalen hergestellt werden. Dementsprechend wird auch in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren auf die zu der Röntgendrehanode erläuterten Vorteile verwiesen. Ferner sind auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die in Bezug auf die Röntgendrehanode erläuterten Weiterbildungen und Varianten in entsprechender Weise realisierbar, was ggf. durch eine entsprechende Anpassung der Verfahrensschritte durchführbar ist.
  • Weist die Röntgendrehanode einen Trägerkörper und einen darauf ausgebildeten Brennbahnbelag auf, so besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, dass zunächst die Schleifstruktur in den Brennbahnbelag eingebracht wird und anschließend der Brennbahnbelag auf dem Trägerkörper befestigt wird (z.B. durch Löten). Bevorzugt ist jedoch, dass die Schleifstruktur erst dann in den Brennbahnbelag eingebracht wird, wenn der Brennbahnbelag bereits fest mit dem Trägerkörper verbunden ist (beispielsweise, indem der Trägerkörper und der Brennbahnbelag pulvermetallurgisch im Verbund hergestellt werden, oder indem der Brennbahnbelag durch ein Vakuum-Plasmaspritzverfahren auf den Trägerkörper aufgebracht wird). Bei der bevorzugten Variante kann das Auftreten von Kanten in dem Übergangsbereich zwischen Brennbahnbelag und Trägerkörper vermieden werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung bildet der Schritt des Einbringens der Schleifstruktur den letzten, im Bereich der Brennbahn-Oberfläche Material-abtragenden Bearbeitungsschritt bei der Herstellung der Röntgendrehanode.
  • Wie bereits oberhalb erläutert wird, wird die Schleifstruktur insbesondere durch gerichtetes Schleifen, gerichtetes Polieren und/oder gerichtetes Bürsten eingebracht. Dabei ist Schleifen bevorzugt. Insbesondere wird ein mit Schleifkörnern (z.B. Siliziumkarbid oder Diamant) belegtes Schleifmittel (z.B. Schleifscheibe) zum Schleifen eingesetzt. Solch ein Schleifmittel ist insbesondere für ein Brennbahnmaterial aus Wolfram oder einer Wolfram-basierten Legierung (z.B. Wolfram-Rhenium-Legierung) geeignet.
  • Gemäß einer Weiterbildung wird zum Einbringen der Schleifstruktur ein Schleifkörper derart bewegt, dass sich seine Schleifoberfläche zumindest anteilig in radialer Richtung bewegt, und dass ferner der Schleifkörper und die Brennbahn relativ zueinander in Umfangsrichtung bewegt werden (kontinuierlich während der Einbringung der Schleifstruktur oder intermittierend um einen Winkelabschnitt jeweils zwischen den Bearbeitungsschritten). Insbesondere wird zur Realisierung der Relativbewegung in Umfangsrichtung die Röntgendrehanode um deren Symmetrieachse rotiert. Wie bereits oberhalb erläutert wird, gelingt so eine relativ einfache und kostengünstige Einbringung der Schleifstruktur.
  • Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
  • Von den Figuren zeigen:
    • Fig. 1:
    eine schematische Querschnittsansicht einer Röntgendrehanode;
    Fig. 2:
    eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Röntgendrehanode gemäß einer ersten Ausführungsform von oben; und
    Fig. 3:
    eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Röntgendrehanode gemäß einer zweiten Ausführungsform von oben.
  • In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau einer Röntgendrehanode -2- dargestellt. Die Röntgendrehanode -2- ist rotationssymmetrisch zu einer Rotations-Symmetrieachse -4- ausgebildet. Durch die Rotations-Symmetrieachse -4- wird gleichzeitig eine axiale Richtung -6-, die jeweils durch den betreffenden, zu charakterisierenden Punkt und parallel zu der Rotations-Symmetrieachse -4-verläuft, bestimmt. Senkrecht zu der axialen Richtung -6- verlaufen die tangentiale Richtung -8- (vorliegend entgegengesetzt zu dem Uhrzeigersinn eingezeichnet), die jeweils eine Tangente an den Umfang in dem betreffenden Punkt bildet, und die radiale Richtung -10-, die senkrecht auf der tangentialen -8- und der axialen Richtung -6- steht. Die Röntgendrehanode -2-weist einen tellerförmigen Trägerkörper -12- auf, der auf einer entsprechenden Welle montierbar ist. Deckseitig ist auf dem Trägerkörper -12- ein ringförmiger Brennbahnbelag -14- aufgebracht. Der Abschnitt, über den sich der ringförmige Brennbahnbelag -14- erstreckt, weist die Form eines Kegelstumpfes (eines flachen Kegels) auf. Die Neigung der Oberfläche des Brennbahnbelags -14- ist in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie 15 dargestellt. Die Neigung beträgt beispielsweise 12° relativ zu der radialen Richtung -10-. Der Brennbahnbelag -4- überdeckt zumindest den Bereich des Trägerkörpers -12-, der für das Abtasten mit einem Elektronenstrahl vorgesehen ist und damit die Brennbahn -16- bildet. Vorliegend erstreckt sich der Brennbahnbelag -14-beidseitig (d.h. sowohl radial nach innen als auch radial nach außen) über den Abschnitt der Brennbahn-16-, der in Fig. 1 schematisch durch die geschweifte Klammer angedeutet ist, hinaus.
  • Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei ist in den Figuren 2 und 3 jeweils eine schematische Draufsicht auf eine Röntgendrehanode -2- dargestellt. Die Röntgendrehanode -2- ist dabei entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Röntgendrehanode -2- aufgebaut und für gleiche Bauteile werden wiederum die gleichen Bezugszeichen verwendet. In den Figuren 2 und 3 ist die tangentiale Referenzrichtung -8- für zwei verschiedene, radiale Positionen (für zwei, jeweils auf einer horizontal verlaufenden, radialen Richtung -10- liegende, zu charakterisierende Punkte) eingezeichnet.
  • Bei der in Fig. 2 dargestellten, ersten Ausführungsform ist eine gerichtete Schleifstruktur -18- vorgesehen, die sich über die gesamte, geneigte Oberfläche des Brennbahnbelags -14- erstreckt. An einzelnen Umfangsabschnitten des Brennbahnbelags -14- ist die Ausrichtung der Schleifstruktur -18- schematisch als einzelne Linien -20- eingezeichnet. Die Linien -20- geben dabei lediglich die Ausrichtung der Schleifstruktur wieder und stellen nicht einzelne Schleifriefen dar. Letztere sind nämlich, wie oberhalb erläutert wird, statistisch verteilt und weisen unterschiedliche Abmessungen auf. Lediglich ihr Verlauf erstreckt sich im Wesentlichen entlang der dargestellten Linien -20-. Die Schleifstruktur -18-der in Fig. 2 dargestellten, ersten Ausführungsform weist eine gekrümmte Ausrichtung auf. Entlang einer radialen Richtung -10- von innen nach außen über die Erstreckung des Brennbahnbelags -14- hinweg nimmt der Winkel zwischen der Ausrichtung der Schleifstruktur -18- und einer tangentialen Referenzrichtung -8- in dem jeweiligen Oberflächenabschnitt ab. Eine Einbringung solch einer Schleifstruktur -18- kann insbesondere dadurch erfolgen, dass die Röntgendrehanode -2- während der Einbringung der Schleifstruktur -18- rotiert wird, während die Bewegungsrichtung des Schleifmittels ausschließlich radial ist oder gegebenenfalls zusätzlich einen tangentialen und/oder axialen Anteil aufweist (beispielsweise Einbringung unter Verwendung einer 5-Achsen-Schleifmaschine). Eine solche Bewegungsrichtung des Schleifmittels kann insbesondere durch Rotation einer Topfscheibe mit entsprechender Ausrichtung der Rotationsachse erfolgen.
  • Bei der in Fig. 3 dargestellten, zweiten Ausführungsform ist eine gerichtete Schleifstruktur -22- vorgesehen, die sich wiederum über die gesamte, geneigte Oberfläche des Brennbahnbelags -14- erstreckt. Die Schleifstruktur -22- ist derart ausgebildet, dass sich in Umfangsrichtung jeweils Segmente mit einer innerhalb des betreffenden Segments parallelen Ausrichtung der Schleifstruktur -22- aneinander anschließen. Entsprechend wie bei der ersten Ausführungsform ist an einzelnen Umfangsabschnitten des Brennbahnbelags -14- die Ausrichtung der Schleifstruktur innerhalb des jeweiligen Segments schematisch als einzelne Linien -24- eingezeichnet. Die gerichtete Schleifstruktur -22- der in Fig. 3 dargestellten, zweiten Ausführungsform weist innerhalb des jeweiligen Segments einen im Wesentlichen geradlinigen Verlauf auf. Aufgrund der Vergrößerung des Umfangs entlang der radialen Richtung -10- von innen nach außen sind die einzelnen Segmente im radial inneren Bereich jeweils schmäler als im radial äußeren Bereich. Über die (relativ kleine) radiale Erstreckung der Brennbahn -16- hinweg (vgl. Fig. 1) bleibt die Ausrichtung der Schleifstruktur -22- relativ zu der tangentialen Referenzrichtung -8- im Wesentlichen konstant.
  • Es hat sich gezeigt, dass durch die Vorsehung der erfindungsgemäßen Schleifstruktur mit einer Ausrichtung in einem Bereich von einschließlich 15° bis einschließlich 90° relativ zu der tangentialen Referenzrichtung im Einsatz der Röntgendrehanode ein wesentlich feineres und gleichmäßigeres Rissnetzwerk ausgebildet wird als nach dem (internen) Stand der Technik mit einer Ausrichtung der Schleifstruktur in tangentialer Richtung. Besonders vorteilhaft hat sich dabei ein Winkel im Bereich von einschließlich 35° bis einschließlich 70° herausgestellt, bei dem die durch die Schleifstruktur induzierten Mikrorisse mit ihrer kumulierten Rissbreite die im Einsatz entstandene Gesamtverformung der Brennbahn sowohl in radialer Richtung als auch in tangentialer Richtung ausgleichen. Dadurch entsteht an Stelle eines verästelten Netzwerkes einander schneidender oder ineinander mündender Tangential- und Radialrisse eine einheitliche, im Wesentlichen entlang der Ausrichtung der Schleifstruktur verlaufende Schar von feinen Mikrorissen. Dadurch werden die Belastbarkeit und die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Röntgendrehanoden erhöht.
  • Vorteilhaft ist ferner, dass aufgrund der Ausbildung der feinen Mikrorisse die erfindungsgemäßen Röntgendrehanoden neben der Erhöhung der Berstsicherheit und der Hochspannungsstabilität auch einen deutlich verlangsamten Dosisabfall über die Lebensdauer der Röntgendrehanode aufweisen. Dies wird auf die nachfolgenden Effekte zurückgeführt: zum Einen werden die Rissbreiten und Risstiefen verringert, zum Anderen weisen die Mikrorisse eine Radialkomponente auf. Beide Effekte tragen im Einsatz zu einer Verringerung der Selbstabsorption der Röntgenstrahlung und damit zu einer vergleichsweise hohen Dosisausbeute bei.
    • Ausführungsbeispiel:
  • Es wurden Röntgendrehanoden mit einem Brennbahnbelag aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung (10 Gew.% Rhenium, 90 Gew.% Wolfram), der fest mit dem Trägerkörper aus einer Molybdän-Legierung verbunden war, zunächst durch Feindrehen vorgeglättet. Nach dem Feindrehen des Brennbahnbelags wurde mit einer feinkörnigen Topf-Diamantschleifscheibe eine gerichtete Schleifstruktur eingebracht. Die Topf-Diamantschleifscheibe wies eine Körnung von D76, angegeben nach dem, von der FEPA (Fédération Europeene des Fabricants de Produits Abrasifs) ausgegebenen Standard, auf. Zum Einbringen der Schleifstruktur wurde eine Anordnung gewählt, in der die Rotationsachse der Topf-Diamantschleifscheibe im Wesentlichen senkrecht zu der Brennbahn-Oberfläche (bezogen auf den Berührungspunkt der Topfscheibe mit der Brennbahn) und bezüglich der radialen Richtung im Wesentlichen mittig der Brennbahn ausgerichtet war. Die Anordnung wurde ferner derart gewählt, dass eine stirnseitig der Topf-Diamantschleifscheibe ausgebildete, ringförmige Schleiffläche, die senkrecht zu der Rotationsachse (der Topf-Diamantschleifscheibe) ausgerichtet ist, bei Rotation derselben an einem Umfangsabschnitt (der rotierenden Topf-Diamantschleifscheibe) schleifend in die Brennbahn-Oberfläche eingriff, während der gegenüberliegende Umfangsabschnitt beabstandet von der Brennbahn war. Zum Einbringen der Schleifstruktur wurden die Topf-Diamantschleifscheibe und die Röntgendrehanode in dieser Anordnung jeweils um deren Rotationsachsen gedreht, wobei als Schmiermittel Öl eingesetzt wurde. Die Neigung der Ausrichtung der eingebrachten Schleifstruktur relativ zu der tangentialen Referenzrichtung hängt von den Relativgeschwindigkeiten der Brennbahn relativ zu der Schleiffläche der Topf-Diamantscheibe ab. Insbesondere muss die Rotationsgeschwindigkeit der Topf-Diamantschleifscheibe ausreichend hoch relativ zu der Rotationsgeschwindigkeit der Röntgendrehanode sein, um eine Neigung der Ausrichtung der Schleifstruktur relativ zu der tangentialen Referenzrichtung zu erzielen. Vorliegend wurde die Röntgendrehanode mit 100 Umdrehungen pro Minute rotiert, wobei die Brennbahn sich über einen Radius von ca. 75 mm bis ca. 100 mm der Röntgendrehanode erstreckte, und die Topf-Diamantschleifscheibe wies im Bereich der Schleiffläche eine Geschwindigkeit von 20 m/s (Meter/Sekunde) auf. Die daraus erhaltene Schleifstruktur war im Wesentlichen geradlinig ausgerichtet, wobei sie eine leichte Krümmung aufgrund des Radius (vorliegend 62,5 mm) der Topf-Diamantschleifscheibe aufwies. Die Ausrichtung der Schleifstruktur war ca. 85° - 90° relativ zu der tangentialen Referenzrichtung geneigt (d.h. verlief annähernd radial). Die mittlere Rauigkeit der gerichteten Schleifstruktur betrug Ra = 0,25 µm.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oberhalb erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können die äußere Form und der Aufbau der Röntgendrehanode, wie in dem Fachgebiet bekannt ist, von der in den Figuren dargestellten Röntgendrehanode -2- abweichen. Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass der Brennbahnbelag nur einen Teil des kegelstumpfförmigen Abschnittes überdeckt und sich an die Oberfläche des Brennbahnbelags radial nach innen und/oder radial nach außen in der gleichen Ebene die Oberfläche des Trägerkörpers anschließt. In diesem Fall können auch die betreffenden (geneigten) Oberflächenabschnitte des Trägerkörpers mit einer Schleifstruktur versehen sein. Weiterhin ist auch möglich, dass die Röntgendrehanode keinen separaten Brennbahnbelag aufweist und die Brennbahn auf einem im Wesentlichen monolithischen Körper (abgesehen von Anbauteilen wie beispielsweise einen Graphitring, etc.) ausgebildet ist. Weiterhin kann im Rahmen der Herstellung zusätzlich zu den beschriebenen Herstellungsschritten vorgesehen sein, dass die betreffende Oberfläche vor dem Einbringen der Schleifstruktur möglichst weitgehend geglättet wird, um die Einflüsse von bestehenden Strukturen an der Oberfläche so weit wie möglich zu eliminieren. Solch ein Glätten kann beispielsweise durch mechanisches Polieren und/oder Elektropolieren erfolgen. Ferner besteht auch noch die Möglichkeit, zwei Scharen von Riefen einzubringen, die sich jeweils kreuzen. Insbesondere kann die Röntgendrehanode erst in Umfangsrichtung grob vorgedreht werden, um relativ grobe Riefen, die in Umfangsrichtung ausgerichtet sind, einzubringen. Die durch das grobe Drehen erhaltene, mittlere Rautiefe kann beispielsweise bei Ra=2 µm liegen. Anschließend kann die erfindungsgemäße, gerichtete Schleifstruktur, die sich zumindest überwiegend in radialer Richtung erstreckt, derart eingebracht werden, dass die aus dem Drehen resultierenden Riefen zumindest teilweise erhalten bleiben. Auf diese Weise werden Riefen und damit gerichtete Risskeime bereitgestellt, die an den jeweiligen Oberflächenabschnitten zumindest zwei verschiedene Ausrichtungen aufweisen und dementsprechend die Ausbildung eines feinen Rissnetzes unterstützen.

Claims (12)

  1. Röntgendrehanode mit einer ringförmigen Brennbahn (16), wobei die Brennbahn-Oberfläche eine gerichtete Schleifstruktur (18; 22) aufweist, wobei über den Umfang der ringförmigen Brennbahn (16) hinweg und über die radiale Erstreckung der Brennbahn (16) hinweg die Ausrichtung der Schleifstruktur (18; 22) relativ zu einer tangentialen Referenzrichtung (8) in dem jeweiligen Oberflächenabschnitt jeweils mit einem Winkel im Bereich von einschließlich 15° bis einschließlich 90° geneigt ist.
  2. Röntgendrehanode gemäß Anspruch 1, wobei über den Umfang der ringförmigen Brennbahn (16) hinweg und über die radiale Erstreckung der Brennbahn (16) hinweg die Ausrichtung der Schleifstruktur (18; 22) relativ zu einer tangentialen Referenzrichtung (8) in dem jeweiligen Oberflächenabschnitt jeweils mit einem Winkel im Bereich von einschließlich 35° bis einschließlich 70° geneigt ist.
  3. Röntgendrehanode gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die gerichtete Schleifstruktur (22) jeweils einen im Wesentlichen geradlinigen Verlauf aufweist.
  4. Röntgendrehanode gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei entlang einer radialen Richtung (10) von innen nach außen über die radiale Erstreckung der Brennbahn (16) hinweg der Winkel zwischen der Ausrichtung der Schleifstruktur (18) und einer tangentialen Referenzrichtung (8) in dem jeweiligen Oberflächenabschnitt abnimmt.
  5. Röntgendrehanode gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Bereich der Schleifstruktur (18; 22) die mittlere Rautiefe Ra in einem Bereich von einschließlich 0,05 µm bis einschließlich 0,5 µm liegt, wobei zur Bestimmung der mittleren Rautiefe eine geradlinig und im Wesentlichen senkrecht zu der Ausrichtung der Schleifstruktur verlaufende Messstrecke verwendet wird.
  6. Röntgendrehanode gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Schleifstruktur (18; 22) sich über den Bereich der Brennbahn (16) hinaus erstreckt.
  7. Röntgendrehanode gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Brennbahnmaterial im Bereich der Brennbahn (16) durch Wolfram oder durch eine Wolfram basierte Legierung gebildet wird.
  8. Röntgendrehanode gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei diese einen Trägerkörper (12) und einen, auf dem Trägerkörper (12) ausgebildeten Brennbahnbelag (14), auf welchem die Brennbahn (16) verläuft, aufweist.
  9. Verfahren zum Herstellen einer Röntgendrehanode (2), wobei zumindest in dem Bereich einer ringförmigen Brennbahn (16) der Röntgendrehanode (2) eine gerichtete Schleifstruktur (18; 22) derart eingebracht wird, dass über den Umfang der ringförmigen Brennbahn (16) hinweg und über die radiale Erstreckung der Brennbahn (16) hinweg die Ausrichtung der Schleifstruktur (18; 22) relativ zu einer tangentialen Referenzrichtung (8) in dem jeweiligen Oberflächenabschnitt jeweils mit einem Winkel im Bereich von einschließlich 15° bis einschließlich 90° geneigt ist.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Schritt des Einbringens der Schleifstruktur (18; 22) den letzten, im Bereich der Brennbahn-Oberfläche Material-abtragenden Bearbeitungsschritt bei der Herstellung der Röntgendrehanode (2) bildet.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 9 der 10, wobei die Schleifstruktur (18; 22) durch Schleifen eingebracht wird.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei zum Einbringen der Schleifstruktur (18; 22) ein Schleifkörper derart bewegt wird, dass sich seine Schleifoberfläche zumindest anteilig in radialer Richtung (10) bewegt, und dass ferner der Schleifkörper und die Brennbahn (16) relativ zueinander in Umfangsrichtung bewegt werden.
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