EP3590124A1 - Röntgenröhre, röntgengerät und verfahren zur fertigung einer röntgenröhre und eines röntgengeräts - Google Patents

Röntgenröhre, röntgengerät und verfahren zur fertigung einer röntgenröhre und eines röntgengeräts

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EP3590124A1
EP3590124A1 EP18723758.1A EP18723758A EP3590124A1 EP 3590124 A1 EP3590124 A1 EP 3590124A1 EP 18723758 A EP18723758 A EP 18723758A EP 3590124 A1 EP3590124 A1 EP 3590124A1
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EP
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ray tube
anode
spatial
cooling
tube according
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Siemens Healthcare GmbH
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    • H01J2235/1225—Cooling characterised by method
    • H01J2235/1291—Thermal conductivity
    • H01J2235/1295—Contact between conducting bodies

Definitions

  • the invention relates to an X-ray tube, an X-ray device and a method for manufacturing an X-ray tube and egg Nes X-ray device.
  • an electron beam is directed onto an anode material to generate X-radiation.
  • Modern high-performance X-ray tubes must be cooled in order to effectively dissipate the heat generated during the interaction of the electron beam with the anode material and thus ensure a high level of performance and a long service life of the X-ray tube.
  • rotary anodes are known, in particular in high-end systems, which are internally structured by means of wire eroding directly in the volume or which have wave-shaped metal sheets which are soldered into the hollow rotary shaft of the rotary anode.
  • wire eroding directly in the volume or which have wave-shaped metal sheets which are soldered into the hollow rotary shaft of the rotary anode.
  • a further object of the invention is a method for producing an X-ray tube and an X-ray tube. specify by means of which such an X-ray tube and such an X-ray machine can be manufactured.
  • the X-ray tube according to the invention has an anode with an interaction region and a cooling contact.
  • the anode has a non-vanishing and steti ge spatial increase in thermal conductivity in a thermal contact area leading from the interaction area to the cooling.
  • thermal conductivity always means the specific thermal conductivity as a substance size irrespective of any geometric flow variables.
  • a "region leading thermally fromtinct totinct” is preferably to be understood as meaning a region of a heat conduction path along which heat is transported by heat conduction.
  • an increase in the thermal conductivity along at least one spatial direction or along at least one path, expediently along a heat conduction path between the area of interaction and the cooling contact is to be understood as meaning a spatial increase in the heat conductivity. Accordingly, the term of the spatial change is to be understood preferably before.
  • interaction region is to be understood as meaning that region of the anode which is arranged for irradiation with an electron beam for the purpose of generating X-radiation.
  • the cooling contact has a surface, wherein there is an increase in the heat conductivity along a portion of the surface. In particular, there is an increase in the thermal conductivity along a portion of a surface arranged on the cooling fluid path.
  • the spatial increase is suitably formed with a spatial change of Mate rialzusammen applicant.
  • a spatial change in the thermal conductivity can be easily realized in this embodiment of the invention.
  • Particularly suitable is the spatial change of the material composition formed with a fürdringungsgemosge at least two materials with different thermal conductivity.
  • the local proportion of the two materials changes in at least one direction or along at least one path.
  • the anode is formed with a gradient in terms of material composition. Due to the gradient results in a composite material, the Materialzusammenset tion constantly changes from the material of the anode up to the material of the cooling contact. Due to the gradient, a very efficient heat dissipation without thermal resistances can be achieved.
  • the efficient heat dissipation allows ei nen fail-safe operation of the invention Röntgenröh re and a long life.
  • the materials used are particularly preferably adapted to each other with regard to their thermal expansion coefficients.
  • the adjusted coefficients of thermal expansion of the life of the X-ray tube according to the invention is significantly increased Lich due to the consequently reduced mechanical stresses in the operation.
  • a metal such as copper has a particularly high thermal conductivity in comparison with a transition metal such as molybdenum, so that a particularly good heat conduction to the cooling contact can take place.
  • the Ano de a rotating anode and / or the anode has an inner lying the cooling channel, wherein the cooling contact is disposed inside, preferably before preferably on the cooling channel.
  • the anode is a rotary anode, wherein the anode is rotatable about ei ne axis of rotation and the cooling channel inside, preferably before on the axis of rotation and / or surrounding the axis of rotation, is arranged.
  • the inventive X-ray tube forms very compact in this development.
  • the continuity of the spatial change of Mate rialzusammen applicant or the increase in thermal conductivity with a spatial resolution of at most 5 millimeters, preferably at most one millimeter, suitably at most 500 micrometers, and ideally at most 100 micrometers.
  • An evaluation with a spatial resolution is expedient to mean an averaging of the material property, in particular the thermal conductivity or a percentage mate rialzusammen experience over a space cube or a space sphere with an edge length or a radius corresponding to this resolution.
  • the cooling contact forms a cooling surface.
  • a cooling fluid in particular a cooling liquid, along strike and absorb heat from the cooling surface and thus dissipate from the anode.
  • the cooling body is a part of the X-ray tube according to the invention.
  • the X-ray device according to the invention has an X-ray tube according to the invention as described above.
  • the area is formed by additive manufacturing with a spatial change of the material composition ge or by means of egg nes partially porous material and infiltration of the material ge.
  • a method for additive manufacturing expediently a method for multi-component laser deposition welding, ie a method of so-called.
  • a partially porous preform may be drawn from a first material, such as a transition metal such as molybdenum, to form the region, which may subsequently be bonded to a metal or thermoplastic material
  • a preform made of a first material, such as molybdenum may be used, which may be in one direction or along a path, particularly from a bulk material Tapered cracks and / or fibers zergli edert, ie isolated, with a second material, preferably copper, is introduced into the spaces opened by the tapered projections and / or fibers free spaces.
  • such projections and / or fibers have the shape of tapered pyramids and / or cones whose base is arranged on the volume material.
  • the base of the distal tip or the base of the distal end of the pyramids and / or cones in this direction or along this path.
  • heat conduction takes place along this direction or path.
  • a cooling body is arranged on the cooling contact.
  • further elements are particularly expediently formed on the cooling contact or integrally therewith.
  • micro-fin, pin fin structure elements or micro-structured baffles are particularly expediently formed on the cooling contact or integrally therewith.
  • Such structures can be advantageously produced via pre-stamped positive or negative molds with subsequent production of the further region of the anode as described above.
  • FIG. 1 shows an inventive X-ray device with a
  • Fig. 2 is a detail of an embodiment
  • FIG. 1 schematically in cross section
  • Fig. 3 a section of the detail like.
  • the illustrated in Fig. 1 X-ray device 10 of the invention has a Rönt invention ⁇ genrschreibe 20 in known manner.
  • the x-ray tube 20 includes a cathode 30 for providing an electron beam.
  • the cathode 30 is arranged and designed such an electron beam (not explicitly shown in the drawing) on an anode plate 35 to be directed ⁇ a rotating anode 40th
  • anode plate 35 As a result of the irradiation of the anode plate with the electron beam, internal half of the anode plate 35 generates X-rays. Within the anode plate 35 arises locally a heat peak.
  • this is hollow in the region of the axis of rotation 50, so that in the region of the axis of rotation 50, a cooling channel 60 is formed.
  • the cooling channel 60 conducts a cooling fluid along a cooling fluid path 70.
  • the adjoining the cooling channel 60 surface 80 of the rotary anode 40 forms a thermal cooling contact of the rotary anode 40, by means of which the heat generated at the heat peak of the anode plate 35 of the rotary anode 40 heat is discharged to the channel through the cooling coolant.
  • the rotary anode 40 is formed at the location of the anode plate 35 in a conventional manner of pure molybdenum.
  • the rotary anode 40 is formed of a molybdenum-copper mixture.
  • the proportion of copper increases from 0 percent in an anode plate 35 near part of the area 85 of the rotary anode 40 up to a proportion of 100 percent at the surface 80 steadily.
  • the rotary anode 40 is additively manufactured in the region 85 adjacent to the Ano denteller 35 by means of laser welding, wherein powdered copper and pulverulent molybdenum are used as the welding material.
  • the composition of the welding material in the manufacture of the region 85 is changed during welding by 85 metric molybdenum is used in the provided near the anode plate 35 part of the area.
  • an increasing proportion of copper is added, the closer the currently manufactured part of the area 85 to the surface 80 is located.
  • the region 85 of the rotary Anode 40 made exclusively of copper.
  • the Anodentel ler 35 can be manufactured separately, for example by means of a conventional spa nenden manufacturing process and subsequently joined together with the additively manufactured area 85.
  • the rotary anode 40 may alternatively be made additive in a single procedural process.
  • the rotary anode 40 is taken gefer by means of another additive manufacturing process, for example by means of a cold-spray process or by means of a wire-based additive manufacturing process, such as the Cold Metal transfer method.
  • the increasing proportion of copper is not made by an additive manufacturing process, but it is a semi-porous preform made of molybdenum in the form of a molybdenum sponge used, which infiltrated with Kup fer becomes.
  • a spatial resolution of 300 microns meters can also such a copper infiltrated molybdenum sponge, which formed in this embodiment, a Po ren malmesser of less than 50 microns and a spatial density of several pores Liche per 300 square microns than with a spatially steadily increasing thermal conductivity be considered.
  • the surface 80 of the rotary anode 40 further elements arranged, for example,dela melles or microfine or pin-fin structural elements or microstructured baffles.
  • further elements are pre-stamped, wherein at least a portion between the axis of rotation 50 remote part of the anode plate 35 and the surface 80 is formed by additive manufacturing.
  • the area 85 can be formed by means of a machined or additively manufactured preform 95 of molybdenum, which is formed integrally with the Drehtel ler 35 of the rotary anode 40.
  • the preform 95 includes thereto in addition to the turntable 35 on this rotary plate 35 arranged projections 100, which in a heat conduction direction W, i. each in the thermally leading to the surface 80 direction from the turntable 35 marstre bridges.
  • the projections 100 have a shape which tapers in each case in the direction of heat conduction W.
  • the projections 100 are formed as shown in Fig.
  • projections 100 in the form of pyramids projections 100 in the form of pyramids, projections 100 in the form of circular cones may be present in further embodiments, which otherwise correspond to what is shown, which extend with their tips of the turntable 35.
  • the preform 95 separates in the direction of heat conduction W and opens free spaces, which can be filled with liquid copper.
  • the tips of the projections 100 includes a
  • Layer 90 of pure copper which has the cooling channel 60 adjacent surface 80 of the rotary anode 40.
  • the surface 80 is also in the direction of Fulcrum 50 and consequently in the direction of the cooling fluid path 70 with respect to a non-vanishing gradient in the Ma material composition and the thermal conductivity struc- tured. In doing so, a thermal model of the rotary anode is used and the spatial structuring with regard to heat dissipation is optimized.

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Abstract

Die Röntgenröhre umfasst eine Anode (40) mit einem Wechselwirkungsbereich (35) und einen Kühlkontakt (80), wobei die Anode (40) in einem thermisch vom Wechselwirkungsbereich (35) zum Kühlkontakt (80) führenden Bereich eine nichtverschwindende und stetige räumliche Zunahme der Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das Röntgengerät weist eine solche Röntgenröhre auf. Bei dem Verfahren zur Fertigung einer solchen Röntgenröhre (20) oder eines solchen Röntgengeräts (10) wird der Bereich mittels additiver Fertigung mit einer räumlichen Änderung der Materialzusammensetzung oder mittels eines teilporösen Materials und Infiltration des Materials gebildet.

Description

Beschreibung
Röntgenröhre, Röntgengerät und Verfahren zur Fertigung einer Röntgenröhre und eines Röntgengeräts
Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre, ein Röntgengerät sowie ein Verfahren zur Fertigung einer Röntgenröhre und ei nes Röntgengeräts.
Bei Röntgenröhren wird zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ein Elektronenstrahl auf ein Anodenmaterial gelenkt. Moderne Hochleistungs-Röntgenröhren müssen gekühlt werden, um die bei der Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Anodenmate rial entstehende Wärme effektiv abzuführen und damit eine ho he Leistung und eine hohe Lebensdauer der Röntgenröhre si cherzustellen .
Es sind Röntgenröhren mit Drehanoden bekannt, bei denen die Drehanoden um ihre Drehachse herum einen Kühlkanal mit einem Wärmetauscher aufweisen, welche von einem flüssigen Kühlmedi um durchströmt werden.
Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr sind insbesondere bei High- end-Systemen Drehanoden bekannt, die innenliegend mittels Drahterodierens direkt im Volumen strukturiert sind oder wel che wellenförmige Bleche aufweisen, die in die hohle Rotati onswelle der Drehanode eingelötet sind. Somit können große Oberflächen für den Wärmeübergang realisiert werden, welche den Wärmetransport von der Anode bis zum Kühlmedium möglichst wenig behindern. Gleichwohl bleibt eine weiter verbesserte Kühlung wünschenswert.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Röntgenröhre und ein verbessertes Röntgengerät anzugeben, bei welchen insbesondere eine effizientere Kühlung eines Anodenmaterials der Röntgenröhre oder des Röntgengeräts möglich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfah ren zur Fertigung einer Röntgenröhre sowie eines Röntgenge- räts anzugeben, mittels welchem eine solche Röntgenröhre und ein solches Röntgengerät gefertigt werden können.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einer Röntgenröhre mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einem Röntgenge rät mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Verfahren zur Fertigung einer Röntgenröhre mit den in Anspruch 11 angegeben Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbil dungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
Die erfindungsgemäße Röntgenröhre weist eine Anode mit einem Wechselwirkungsbereich und einen Kühlkontakt auf. Die Anode weist in einem thermisch vom Wechselwirkungsbereich zum Kühl kontakt führenden Bereich eine nichtverschwindende und steti ge räumliche Zunahme der Wärmeleitfähigkeit auf.
Auf diese Weise wird die Wärmeableitung zum Kühlkontakt und der Wärmeübergang mittels des Kühlkontakts vorteilhaft maxi miert .
Erfindungsgemäß erfolgt also keine abrupte Änderung der Wär meleitfähigkeit von einem aus einem ersten Material gebilde ten Bauteil zu einem nächsten, aus einem weiteren Material gebildeten Bauteil, sondern die Wärmeleitfähigkeit nimmt kon tinuierlich entlang des Bereichs aufgrund einer Änderung der Materialeigenschaft in diesem Bereich zu.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff „Wärmeleitfähigkeit" stets die spezifische Wärmeleitfähigkeit als Stoffgröße unbeachtlich eventueller geometrischer Ein flussgrößen zu verstehen.
Unter einem „thermisch von [...] zu [...] führenden Bereich" ist vorzugsweise ein Bereich eines Wärmeleitungspfades zu verste hen, entlang welchem Wärme durch Wärmeleitung transportiert wird . Bevorzugt ist unter einer räumlichen Zunahme der Wärmeleitfä higkeit im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Zunahme oder Änderung der Wärmeleitfähigkeit entlang zumindest einer Raumrichtung oder entlang zumindest eines Pfades, zweckmäßig entlang eines Wärmeleitungspfades zwischen Wechselwirkungsbe reich und Kühlkontakt, zu verstehen. Entsprechend ist vor zugsweise der Begriff der räumlichen Änderung zu verstehen.
Unter dem Begriff „Wechselwirkungsbereich" ist vorzugsweise derjenige Bereich der Anode zu verstehen, welcher zur Be strahlung mit einem Elektronenstrahl zwecks Erzeugung von Röntgenstrahlung angeordnet ist.
Vorzugsweise weist der thermisch vom Wechselwirkungsbereich zum Kühlkontakt führende Bereich eine thermisch in Richtung auf den Kühlkontakt zu erfolgende Zunahme der Wärmeleitfähig keit auf. Optional und ebenfalls bevorzugt weist der Kühlkon takt eine Oberfläche auf, wobei eine Zunahme der Wärmeleitfä higkeit entlang eines Abschnitts der Oberfläche besteht. Ins besondere erfolgt eine Zunahme der Wärmeleitfähigkeit entlang eines Abschnitts eines an der Oberfläche angeordneten Kühl fluidpfads .
Bei der erfindungsgemäßen Röntgenröhre ist die räumliche Zu nahme geeigneterweise mit einer räumlichen Änderung der Mate rialzusammensetzung gebildet. Es sind vielfältige Fertigungs verfahren zur Fertigung von Werkstücken mit räumlicher Ände rung der Materialzusammensetzung bekannt. Folglich lässt sich in dieser Weiterbildung der Erfindung eine räumliche Änderung der Wärmeleitfähigkeit leicht realisieren. Besonders geeignet ist die räumliche Änderung der Materialzusammensetzung mit einem Durchdringungsgefüge zumindest zweier Materialien mit voneinander abweichender Wärmeleitfähigkeit gebildet. Bevor zugt ändert sich bei dem Durchdringungsgefüge der lokale re lative Anteil der beiden Materialien in zumindest einer Rich tung oder entlang zumindest eines Pfads. In dieser Weiterbildung wird also ausgehend von einem Materi al der Anode, bevorzugt Molybdän, bis hin zum Kühlkontakt, etwa Kupfer, die Anode mit einem Gradienten hinsichtlich der Materialzusammensetzung ausgebildet. Aufgrund des Gradienten entsteht ein Werkstoff-Komposit, dessen Materialzusammenset zung sich stetig von dem Material der Anode bis hin zu dem Material des Kühlkontakts ändert. Infolge des Gradienten lässt sich eine sehr effiziente Wärmeabfuhr ohne thermische Widerstände erzielen. Die effiziente Wärmeabfuhr erlaubt ei nen ausfallsicheren Betrieb der erfindungsgemäßen Röntgenröh re sowie eine hohe Lebensdauer.
Besonders bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Röntgen röhre die eingesetzten Materialien hinsichtlich ihrer thermi schen Ausdehnungskoeffizienten aneinander angepasst. Infolge der angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Röntgenröhre aufgrund der folglich reduzierten mechanischen Spannungen im Betrieb deut lich erhöht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist bei der erfindungs gemäßen Röntgenröhre die räumliche Änderung der Materialzu sammensetzung mit einer Änderung von einem Übergangsmetall, insbesondere Molybdän, zu einem Metall, insbesondere Kupfer, gebildet. Vorteilhafterweise weist ein Metall wie Kupfer eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich mit einem Übergangsmetall wie Molybdän auf, sodass eine besonders gute Wärmeleitung zum Kühlkontakt erfolgen kann.
Bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Röntgenröhre die Ano de eine Drehanode und/oder die Anode weist einen innenliegen den Kühlkanal auf, wobei der Kühlkontakt innenliegend, vor zugsweise an dem Kühlkanal, angeordnet ist. Besonders vor teilhaft ist die Anode eine Drehanode, wobei die Anode um ei ne Drehachse drehbar ist und der Kühlkanal innenliegend, vor zugsweise an der Drehachse und/oder die Drehachse umgebend, angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Röntgenröhre in dieser Weiterbildung besonders kompakt ausge bildet .
Besonders bevorzugt beurteilt sich bei der erfindungsgemäßen Röntgenröhre die Stetigkeit der räumlichen Änderung der Mate rialzusammensetzung oder der Zunahme der Wärmeleitfähigkeit mit einer räumlichen Auflösung von höchstens 5 Millimetern, vorzugsweise höchstens einem Millimeter, zweckmäßig höchstens 500 Mikrometern und idealerweise höchstens 100 Mikrometern.
In dieser Weiterbildung stehen folglich Materialzusammenset zungen und Unstetigkeiten auf einer räumlichen Skala unter halb dieser Auflösung einer stetigen Änderung der Materialzu sammensetzung oder einer stetigen Zunahme der Wärmeleitfähig keit nicht entgegen. Ein abrupter Wechsel der Wärmeleitfähig keit infolge von scharfen Materialgrenzen wie bei der bloßen Anbindung von separaten Bauteilen aus Materialien mit vonei nander abweichenden Wärmeleitfähigkeiten unterfällt also nicht der erfindungsgemäß vorgesehenen stetigen Zunahme der Wärmeleitfähigkeit .
Unter einer Beurteilung mit einer räumlichen Auflösung ist zweckmäßig eine Mittelung der Materialeigenschaft wie insbe sondere der Wärmeleitfähigkeit oder einer prozentualen Mate rialzusammensetzung über einen Raumwürfel oder eine Raumkugel mit einer Kantenlänge oder einem Radius entsprechend dieser Auflösung zu verstehen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Röntgenröhre bildet der Kühlkontakt eine Kühloberfläche. An dieser Kühloberfläche kann ein Kühlfluid, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, entlang streichen und Wärme von der Kühl oberfläche aufnehmen und so von der Anode abführen.
Alternativ oder zusätzlich ist bei einer ebenfalls vorteil haften Weiterbildung der Röntgenröhre der Kühlkontakt an ei nen Kühlkörper thermisch angebunden. Zweckmäßig ist der Kühl körper ein Teil der erfindungsgemäßen Röntgenröhre. Das erfindungsgemäße Röntgengerät weist eine erfindungsgemäße Röntgenröhre wie oben beschrieben auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Fertigung einer Rönt genröhre und/oder eines Röntgengeräts wie oben beschrieben wird der Bereich mittels additiver Fertigung mit einer räum lichen Änderung der Materialzusammensetzung oder mittels ei nes teilporösen Materials und Infiltration des Materials ge bildet. Als Verfahren zur additiven Fertigung kommen zweckmä ßig ein Verfahren zum Mehrkomponenten-Laserauftragschweißen, d.h. ein Verfahren der sog. „Laser Metal Deposition" mit min destens zwei Ausgangspulvern, welche während der Fertigung mit veränderlichem Mischungsverhältnis gemischt werden, und/oder ein Cold-Spray-Verfahren oder ein drahtbasiertes ad ditives Fertigungsverfahren und/oder ein Cold-Metal-Transfer- Verfahren zum Einsatz. Alternativ oder zusätzlich kann ein teilporöser Vorformling aus einem ersten Material, etwa einem Übergangsmetall wie Molybdän, zur Bildung des Bereichs heran gezogen werden, welcher anschließend mit einem zweiten Mate rial, etwa einem Metall wie Kupfer, infiltriert wird. Alter nativ oder zusätzlich kann ein Vorformling aus einem ersten Material, etwa Molybdän, herangezogen werden, welcher sich in einer Richtung oder entlang eines Pfads - insbesondere ausge hend von einem Volumenmaterial - in sich verjüngende Vor sprünge und/oder Fasern zergliedert, d.h. vereinzelt, wobei ein zweites Material, vorzugsweise Kupfer, in die durch die sich verjüngenden Vorsprünge und/oder Fasern eröffneten Frei räume eingebracht wird. Vorzugsweise weisen solche Vorsprünge und/oder Fasern die Gestalt sich verjüngender Pyramiden und/oder Kegel auf, deren Grundfläche an dem Volumenmaterial angeordnet ist. Zweckmäßig weist die der Grundfläche ferne Spitze oder das der Grundfläche ferne Ende der Pyramiden und/oder Kegel in diese Richtung oder entlang dieses Pfads. Geeigneterweise erfolgt Wärmeleitung entlang dieser Richtung oder dieses Pfads. Folglich resultiert in dieser Weiterbil dung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Durchdringungsgefü ge, welches zugleich eine vorteilhafte Weiterbildung eines Durchdringungsgefüges der erfindungsgemäßen Röntgenröhre wie oben beschrieben bildet.
Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kühl körper an den Kühlkontakt angeordnet. Besonders zweckmäßig werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weitere Elemente an den Kühlkontakt oder mit diesem integral ausgebildet. Vor¬ zugsweise sind solche weiteren Elemente Mikro-Finnen, Pin- Fin-Strukturelemente oder mikrostrukturierte Prallplatten. Solche Strukturen lassen sich vorteilhaft über vorgeprägte Positiv- oder Negativformen mit anschließender Fertigung des weiteren Bereichs der Anode wie oben beschrieben fertigen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei¬ gen :
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Röntgengerät mit einer
erfindungsgemäß gefertigten erfindungsgemäßen
Röntgenröhre schematisch im Querschnitt,
Fig. 2 eine Einzelheit eines Ausführungsbeispiels
einer Drehanode der Röntgenröhre des
Röntgengerätes gern. Fig. 1 schematisch im Querschnitt sowie
Fig. 3 einen Ausschnitt der Einzelheit gern. Fig. 2 in
einer schematischen perspektivischen Darstellung.
Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Röntgengerät 10 weist in an sich bekannter Weise eine erfindungsgemäße Rönt¬ genröhre 20 auf. Die Röntgenröhre 20 umfasst eine Kathode 30 zur Bereitstellung eines Elektronenstrahls. Die Kathode 30 ist angeordnet und ausgebildet, einen Elektronenstrahl (in der Zeichnung nicht explizit dargestellt) auf einen Anoden¬ teller 35 einer Drehanode 40 zu richten. Infolge der Bestrah lung des Anodentellers mit dem Elektronenstrahl wird inner- halb des Anodentellers 35 Röntgenstrahlung erzeugt. Innerhalb des Anodentellers 35 entsteht dabei lokal eine Wärmespitze.
Zur Kühlung der Drehanode 40 ist diese im Bereich der Dreh achse 50 hohl ausgebildet, sodass im Bereich der Drehachse 50 ein Kühlkanal 60 ausgebildet ist. Der Kühlkanal 60 leitet ein Kühlfluid entlang eines Kühlfluidpfades 70.
Die an den Kühlkanal 60 angrenzende Oberfläche 80 der Dreh anode 40 bildet einen thermischen Kühlkontakt der Drehanode 40, mittels welchem die an der Wärmespitze des Anodentellers 35 der Drehanode 40 entstehende Wärme an die durch den Kühl kanal geleitete Kühlflüssigkeit abgegeben wird.
Die Drehanode 40 ist am Ort des Anodentellers 35 in an sich bekannter Weise aus reinem Molybdän ausgebildet. In einem Be reich 85 der Drehanode 40, welcher zwischen dem Anodenteller 35, an welchem die Wärmespitze lokalisiert ist und der an den Kühlkanal 60 angrenzenden Oberfläche 80 der Drehanode 40 be findlich ist, ist die Drehanode 40 aus einem Molybdän-Kupfer- Gemisch gebildet. In diesem Molybdän-Kupfer-Gemisch steigt der Anteil von Kupfer von 0 Prozent in einem dem Anodenteller 35 nahen Teil des Bereichs 85 der Drehanode 40 bis hin zu ei nem Anteil von 100 Prozent an der Oberfläche 80 stetig an.
Die Drehanode 40 ist dazu erfindungsgemäß in dem an den Ano denteller 35 angrenzenden Bereich 85 additiv mittels Laser auftragsschweißens gefertigt, wobei als Schweißmaterial pul verförmiges Kupfer und pulverförmiges Molybdän herangezogen sind .
Die Zusammensetzung des Schweißmaterials bei der Fertigung des Bereichs 85 wird während des Schweißens geändert, indem in dem nahe dem Anodenteller 35 vorgesehenen Teil des Be reichs 85 ausschließlich Molybdän herangezogen wird. Bei der Fertigung des Bereichs 85 wird ein steigender Anteil von Kup fer zugesetzt, je näher der aktuell gefertigte Teil des Be reichs 85 an der Oberfläche 80 befindlich ist. In einer der Oberfläche 80 nahen Schicht 90 ist der Bereich 85 der Dreh- anode 40 ausschließlich aus Kupfer gefertigt. Der Anodentel ler 35 kann beispielsweise mittels eines konventionellen spa nenden Fertigungsverfahrens separat gefertigt werden und nachfolgend mit dem additiv gefertigten Bereich 85 zusammen gefügt werden.
In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Drehanode 40 alternativ in einem einzigen Verfah rensgang additiv gefertigt werden.
In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen wird der ansteigende Anteil von Kupfer nicht mittels Laser auftragsschweißens realisiert, sondern die Drehanode 40 wird mittels eines anderen additiven Fertigungsverfahrens gefer tigt, beispielsweise mittels eines Cold-Spray-Verfahrens oder mittels eines drahtbasierten additiven Fertigungsverfahrens, etwa des Cold-Metal-Transfer-Verfahrens .
In einem weiteren nicht gesondert dargestellten Ausführungs beispiel, welches im Übrigen dem dargestellten Ausführungs beispiel entspricht, wird der ansteigende Anteil von Kupfer nicht mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt, sondern es wird ein teilporöser Vorformling aus Molybdän in Gestalt eines Molybdänschwamms herangezogen, welcher mit Kup fer infiltriert wird. Mit einer Ortsauflösung von 300 Mikro metern kann auch ein solcher mit Kupfer infiltrierter Molyb dänschwamm, welcher in diesem Ausführungsbeispiel einen Po rendurchmesser von weniger als 50 Mikrometern und eine räum liche Dichte von mehreren Poren je 300 Quadrat-Mikrometern als mit einer räumlich stetig ansteigenden Wärmeleitfähigkeit ausgebildet angesehen werden.
In weiteren Ausführungsbeispielen, welche nicht eigens darge stellt sind, sind zusätzlich an der Oberfläche 80 der Dreh anode 40 weitere Elemente angeordnet, beispielsweise Kühlla mellen oder Mikrofinnen oder Pin-Fin-Strukturelemente oder mikrostrukturierte Prallplatten. Beispielsweise sind solche weiteren Elemente vorgeprägt, wobei zumindest ein Teilbereich zwischen dem der Drehachse 50 fernen Teil des Anodentellers 35 und der Oberfläche 80 mittels additiver Fertigung gebildet ist .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches anhand der Fi guren 2 und 3 beschrieben wird, kann der Bereich 85 mittels eines spanend oder additiv gefertigten Vorformlings 95 aus Molybdän gebildet werden, welcher einstückig mit dem Drehtel ler 35 der Drehanode 40 ausgebildet ist. Der Vorformling 95 umfasst dazu zusätzlich zu dem Drehteller 35 an diesem Dreh teller 35 angeordnete Vorsprünge 100, welche sich in eine Wärmeleitungsrichtung W, d.h. jeweils in die thermisch zur Oberfläche 80 führende Richtung, vom Drehteller 35 fortstre cken. Die Vorsprünge 100 weisen dazu eine sich jeweils in Wärmeleitungsrichtung W verjüngende Form auf. Die Vorsprünge 100 sind wie in Fig. 3 dargestellt als zueinander identische Pyramiden ausgebildet, welche mit beispielsweise quadrati schen Grundflächen 110 eine der Drehachse 50 zugewandte Seite des Drehtellers 35 aneinander angrenzend bedecken. Die den Grundflächen 110 fernen Spitzen der Pyramiden weisen jeweils in Wärmeleitungsrichtung W vom Drehteller 35 fort. Anstelle von Vorsprüngen 100 in Form von Pyramiden können in weiteren Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem Dargestellten entsprechen, Vorsprünge 100 in Gestalt von Kreiskegeln vor handen sein, welche sich mit ihren Spitzen von dem Drehteller 35 fortstrecken . Mittels der Vorsprünge 100 vereinzelt sich der Vorformling 95 in Wärmeleitungsrichtung W und eröffnet Freiräume, welche mit flüssigem Kupfer gefüllt werden können. Nach Erstarrung des Kupfers steigt folglich der Anteil von Kupfer in dem Bereich 85 - jeweils in einem Schnitt senkrecht zur jeweiligen Wärmeleitungsrichtung W betrachtet - stetig in Wärmeleitungsrichtung W an. In Wärmeleitungsrichtung W jen seits der Spitzen der Vorsprünge 100 schließt sich eine
Schicht 90 reinen Kupfers an, welche die am Kühlkanal 60 an grenzende Oberfläche 80 der Drehanode 40 aufweist.
In weiteren Ausführungsbeispielen, welche nicht eigens abge bildet sind und im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbei spiel entsprechen, ist die Oberfläche 80 auch in Richtung der Drehachse 50 und folglich in Richtung des Kühlfluidpfads 70 hinsichtlich eines nichtverschwindenden Gradienten in der Ma terialzusammensetzung und der Wärmeleitfähigkeit struktu riert. Dabei wird ein thermisches Modell der Drehanode heran- gezogen und die räumliche Strukturierung hinsichtlich des Wärmeabtransports optimiert.

Claims

Patentansprüche
1. Röntgenröhre mit einer Anode (40) mit einem Wechselwir kungsbereich (35) und einem Kühlkontakt (80), bei welcher die Anode (40) in einem thermisch vom Wechselwirkungsbereich (35) zum Kühlkontakt (80) führenden Bereich eine nichtverschwin- dende und stetige räumliche Zunahme der Wärmeleitfähigkeit aufweist .
2. Röntgenröhre nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welcher die räumliche Zunahme mit einer räumlichen Änderung der Mate rialzusammensetzung gebildet ist.
3. Röntgenröhre nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welcher die räumliche Änderung der Materialzusammensetzung mit einem Durchdringungsgefüge gebildet ist.
4. Röntgenröhre nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welcher die räumliche Änderung der Materialzusammensetzung mit einer Änderung von einem Übergangsmetall, insbesondere Molybdän, zu einem Metall, insbesondere Kupfer, gebildet ist.
5. Röntgenröhre nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welcher die Anode (40) eine Drehanode und/oder die Anode (40) einen innenliegenden Kühlkanal (60) aufweist, wobei der Kühlkontakt (80) innenliegend , vorzugsweise an dem Kühlkanal (60), ange ordnet ist.
6. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher sich die Stetigkeit der räumlichen Zunahme der Mate rialzusammensetzung oder der Zunahme der Wärmeleitfähigkeit mit einer räumlichen Auflösung von höchstens 5 Millimetern, vorzugsweise einem Millimeter, zweckmäßig höchstens 500 Mik rometern und idealerweise höchstens 100 Mikrometern beur teilt.
7. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die räumliche Änderung der Materialzusammensetzung zumindest mit einem ersten und einem zweiten, vom ersten ver schiedenen, Material gebildet ist, wobei das erste Material eine räumliche Struktur aufweist, die sich entlang einer Richtung (W) oder eines Pfades von einem Volumenmaterial in eine Mehrzahl sich verjüngender Vorsprünge und/oder Fasern, insbesondere in Gestalt von Pyramiden (100) oder Kegeln, ver einzelt .
8. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Kühlkontakt (80) eine Kühloberfläche bildet.
9. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Kühlkontakt (80) an einen Kühlkörper thermisch angebunden ist.
10. Röntgengerät mit einer Röntgenröhre nach einem der vor hergehenden Ansprüche.
11. Verfahren zur Fertigung einer Röntgenröhre (20) und/oder eines Röntgengeräts (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei welchem der Bereich mittels additiver Fertigung mit einer räumlichen Änderung der Materialzusammensetzung oder mittels eines teilporösen Materials und Infiltration des Materials gebildet wird.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem ein Kühlkörper an den Kühlkontakt angeordnet wird.
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