EP3590124B1 - Röntgenröhre, röntgengerät und verfahren zur fertigung einer röntgenröhre und eines röntgengeräts - Google Patents

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

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EP3590124B1
EP3590124B1 EP18723758.1A EP18723758A EP3590124B1 EP 3590124 B1 EP3590124 B1 EP 3590124B1 EP 18723758 A EP18723758 A EP 18723758A EP 3590124 B1 EP3590124 B1 EP 3590124B1
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ray tube
anode
cooling
ray
spatial
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    • 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 an X-ray device.
  • an electron beam is directed onto an anode material to generate X-rays.
  • Modern high-performance X-ray tubes have to be cooled in order to effectively dissipate the heat generated when the electron beam interacts with the anode material and thus ensure high performance and a long service life for the X-ray tube.
  • X-ray tubes with rotating anodes are known in which the rotating anodes have a cooling channel with a heat exchanger around their axis of rotation, through which a liquid cooling medium flows.
  • rotating anodes are known, especially in high-end systems, which are structured internally by means of wire EDM directly in the volume or which have corrugated metal sheets that are soldered into the hollow rotating shaft of the rotating anode.
  • wire EDM wire EDM directly in the volume or which have corrugated metal sheets that are soldered into the hollow rotating shaft of the rotating anode.
  • U.S. 4,205,251 A discloses an x-ray tube with a metallic additive.
  • US 2012/014 510 A1 describes an anode for an X-ray tube with a thermally conductive anode segment.
  • US 2011/103 553 A1 a structured X-ray tube target is known.
  • US 6 430 264 B1 describes an X-ray tube whose rotating anode has a continuous transition between two anode layers.
  • the first anode layer consists of tantalum or a WRe alloy
  • the second anode layer consists of carbon composite material.
  • JP H05 279 710 A discloses a method of manufacturing a focal path.
  • US 2009/0225950 A1 relates to an X-ray tube with a rotating anode which has a radial slide bearing with a liquid metal alloy.
  • US 6,252,934 B1 discloses a cooling device for an anode using boiling liquid acted on by centrifugal force.
  • the object of the invention is to provide an improved X-ray tube and an improved X-ray device in which, in particular, more efficient cooling of an anode material of the X-ray tube or of the X-ray device is possible.
  • a further object of the invention is to specify a method for manufacturing an X-ray tube and an X-ray device, by means of which such an X-ray tube and such an X-ray device can be manufactured.
  • the X-ray tube according to the invention has an anode with an interaction area and a cooling contact. In an area leading thermally from the interaction area to the cooling contact, the anode exhibits a non-vanishing and steady spatial increase in thermal conductivity. In this way, the heat dissipation to the cooling contact and the heat transfer by means of the cooling contact are advantageously maximized.
  • the thermal conductivity increases continuously along the area due to a change in the material property in this area.
  • thermal conductivity is always to be understood as the specific thermal conductivity as a substance quantity, irrespective of any geometric influencing quantities.
  • a "thermally leading from Table area” is to be understood as an area of a heat conduction path along which heat is transported by conduction.
  • a spatial increase in thermal conductivity within the scope of the present invention, an increase in thermal conductivity along at least one spatial direction or along at least one path, specifically along a thermal conduction path between the interaction area and the cooling contact.
  • the concept of spatial change is to be understood accordingly.
  • interaction area is to be understood as that area of the anode which is arranged for irradiation with an electron beam for the purpose of generating X-rays.
  • the area leading thermally from the interaction area to the cooling contact has an increase in thermal conductivity that takes place thermally in the direction of the cooling contact.
  • the cooling contact has a surface, wherein there is an increase in thermal conductivity along a section of the surface. In particular, there is an increase in thermal conductivity along a portion of a surface cooling fluid path.
  • the spatial increase is suitably formed with a spatial change in the material composition.
  • a spatial change in the thermal conductivity can easily be implemented.
  • the spatial change in the material composition is particularly suitable with a penetration structure of at least two materials with differing thermal conductivity. In the case of the penetration structure, the local relative proportion of the two materials preferably changes in at least one direction or along at least one path.
  • the anode is formed with a gradient in terms of the material composition. Due to the gradient, a material composite is created, the material composition of which changes continuously from the material of the anode to the material of the cooling contact. As a result of the gradient, very efficient heat dissipation can be achieved without thermal resistance. The efficient heat dissipation allows fail-safe operation of the X-ray tube according to the invention and a long service life.
  • the materials used are optionally matched to one another with regard to their thermal expansion coefficients.
  • the service life of the X-ray tube according to the invention is significantly increased due to the consequently reduced mechanical stresses during operation.
  • the spatial change in the material composition is formed with a change from a transition metal, in particular molybdenum, to a metal, in particular copper.
  • a metal such as copper advantageously has a particularly high thermal conductivity compared with a transition metal such as molybdenum, so that particularly good thermal conduction to the cooling contact can take place.
  • the anode is a rotating anode and the anode has an internal cooling channel, the cooling contact being arranged on the inside, on the cooling channel.
  • the anode is a rotating anode, the anode being rotatable about an axis of rotation and the cooling channel being arranged on the inside, optionally on the axis of rotation and / or surrounding the axis of rotation.
  • the X-ray tube according to the invention is advantageously designed to be particularly compact in this development.
  • An assessment with a spatial resolution is expediently to be understood as an averaging of the material property such as in particular the thermal conductivity or a percentage material composition 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, can brush along this cooling surface and absorb heat from the cooling surface and thus dissipate it from the anode.
  • the cooling contact is thermally connected to a cooling body.
  • the heat sink is expediently 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 means of additive manufacturing with a spatial change in the material composition or by means of a partially porous material and infiltration of the material.
  • a method for multicomponent laser deposition welding ie a method of so-called “laser metal deposition” with at least two starting powders, which are mixed with a variable mixing ratio during manufacture, and / or a cold spray method, are expediently used as a method for additive manufacturing a wire-based additive manufacturing process and / or a cold metal transfer process are used.
  • a partially porous preform made of a first material for example a transition metal such as molybdenum
  • a second material for example a metal such as copper
  • a preform can be made from a first Material, such as molybdenum, can be used, which is broken down into tapering projections and / or fibers in one direction or along a path - in particular starting from a volume material - that is, separated, with a second material, preferably copper, in the tapering projections and / or fibers opened free spaces is introduced.
  • Such projections and / or fibers preferably have the shape of tapering pyramids and / or cones, the base area of which is arranged on the volume material.
  • the tip remote from the base area or the end of the pyramids and / or cones remote from the base area expediently points in this direction or along this path. Heat conduction suitably takes place along this direction or this path. Consequently, this development of the method according to the invention results in a penetration structure which at the same time forms an advantageous development of a penetration structure of the X-ray tube according to the invention as described above.
  • a heat sink is preferably arranged on the cooling contact.
  • further elements are particularly expediently formed on the cooling contact or integrally with it.
  • Such further elements are preferably micro-fins, pin-fin structure elements or micro-structured baffle plates. Structures of this type can advantageously be produced using pre-stamped positive or negative molds with subsequent production of the further area of the anode as described above.
  • the illustrated x-ray device 10 has an x-ray tube 20 according to the invention in a manner known per se.
  • the x-ray tube 20 comprises a cathode 30 for providing an electron beam.
  • the cathode 30 is arranged and designed to direct an electron beam (not explicitly shown in the drawing) onto an anode plate 35 of a rotating anode 40.
  • an electron beam not explicitly shown in the drawing
  • X-rays are generated within the anode plate 35.
  • a thermal peak occurs locally within the anode plate 35.
  • a cooling channel 60 is formed in the area of the axis of rotation 50.
  • the cooling channel 60 guides a cooling fluid along a cooling fluid path 70.
  • the surface 80 of the rotating anode 40 adjoining the cooling channel 60 forms a thermal cooling contact of the rotating anode 40, by means of which the heat generated at the thermal tip of the anode plate 35 of the rotating anode 40 is transferred to the cooling liquid conducted through the cooling channel.
  • the rotating anode 40 is formed from pure molybdenum at the location of the anode plate 35 in a manner known per se.
  • the rotating anode 40 is formed from a molybdenum-copper mixture.
  • the proportion of copper increases from 0 percent in one of the anode plates 35, part of the area 85 of the rotating anode 40 continuously approaches the surface 80 up to a proportion of 100 percent.
  • the rotary anode 40 is manufactured additively by means of laser deposition welding in the area 85 adjoining the anode plate 35, powdered copper and powdered molybdenum being used as welding material.
  • the composition of the welding material in the production of the area 85 is changed during welding in that only molybdenum is used in the part of the area 85 provided near the anode plate 35.
  • an increasing proportion of copper is added the closer the currently produced part of the area 85 is to the surface 80.
  • the region 85 of the rotary anode 40 is made exclusively of copper.
  • the anode plate 35 can, for example, be manufactured separately by means of a conventional metal-cutting manufacturing process and then joined to the additively manufactured area 85.
  • the rotary anode 40 can alternatively be manufactured additively in a single process step.
  • the increasing proportion of copper is not realized by means of laser deposition welding, but the rotary anode 40 is manufactured 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 cold metal -Transfer procedure.
  • the increasing proportion of copper is not manufactured using an additive manufacturing process, Instead, a partially porous preform made of molybdenum in the form of a molybdenum sponge is used, which is infiltrated with copper.
  • a spatial resolution of 300 micrometers such a copper-infiltrated molybdenum sponge, which in this embodiment has a pore diameter of less than 50 micrometers and a spatial density of several pores per 300 square micrometers, can be viewed as having a spatially steadily increasing thermal conductivity.
  • further elements are additionally arranged on the surface 80 of the rotating anode 40, for example cooling fins or microfins or pin-fin structure elements or microstructured baffle plates.
  • further elements are pre-stamped, with at least a partial area between the part of the anode plate 35 remote from the axis of rotation 50 and the surface 80 being formed by means of additive manufacturing.
  • the region 85 can be formed from molybdenum by means of a metal-cutting or additively manufactured preform 95 which is formed in one piece with the rotary plate 35 of the rotating anode 40.
  • the preform 95 comprises, in addition to the turntable 35, projections 100 arranged on this turntable 35, which extend from the turntable 35 in a heat conduction direction W, ie in the direction leading thermally to the surface 80.
  • the projections 100 each have a shape that tapers in the direction of heat conduction W.
  • the protrusions 100 are as in FIG Fig.
  • projections 100 in the form of pyramids in further exemplary embodiments, which otherwise are the ones shown correspond, projections 100 in the form of circular cones may be present, which extend with their tips from the turntable 35.
  • the preform 95 is separated in the heat conduction direction W and opens up free spaces which can be filled with liquid copper.
  • the surface 80 is also structured in the direction of the axis of rotation 50 and consequently in the direction of the cooling fluid path 70 with regard to a non-vanishing gradient in the material composition and the thermal conductivity.
  • a thermal model of the rotating anode is used and the spatial structuring is optimized with regard to heat dissipation.

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  • X-Ray Techniques (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre, ein Röntgengerät sowie ein Verfahren zur Fertigung einer Röntgenröhre und eines 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 Anodenmaterial entstehende Wärme effektiv abzuführen und damit eine hohe Leistung und eine hohe Lebensdauer der Röntgenröhre sicherzustellen.
  • Es sind Röntgenröhren mit Drehanoden bekannt, bei denen die Drehanoden um ihre Drehachse herum einen Kühlkanal mit einem Wärmetauscher aufweisen, welche von einem flüssigen Kühlmedium durchströmt werden.
  • Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr sind insbesondere bei Highend-Systemen Drehanoden bekannt, die innenliegend mittels Drahterodierens direkt im Volumen strukturiert sind oder welche wellenförmige Bleche aufweisen, die in die hohle Rotationswelle 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.
  • US 4 205 251 A offenbart eine Röntgenröhre mit einem metallischen Additiv. In der US 2012/014 510 A1 ist eine Anode für eine Röntgenröhre mit einem thermisch leitfähigen Anodensegment beschrieben. Aus der US 2011/103 553 A1 ist ein strukturiertes Röntgenröhrentarget bekannt. US 6 430 264 B1 beschreibt eine Röntgenröhre, deren Drehanode einen kontinuierlichen Übergang zwischen zwei Anodenschichten aufweist. Die erste Anodenschicht besteht aus Tantal oder einer WRe-Legierung, die zweite Anodenschicht aus Kohlenstoff-Verbundmaterial. JP H05 279 710 A offenbart ein Verfahren zur Fertigung einer Brennbahn.
  • US 2009/0225950 A1 betrifft eine Röntgenröhre mit einer Drehanode, die ein radiales Gleitlager mit einer flüssigen Metalllegierung aufweist.
  • US 6,252,934 B1 offenbart eine Kühlvorrichtung für eine Anode, die kochende Flüssigkeit, auf die eine Zentrifugalkraft wirkt, nutzt.
  • 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 Verfahren zur Fertigung einer Röntgenröhre sowie eines Röntgengeräts 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 Röntgengerät mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Verfahren zur Fertigung einer Röntgenröhre mit den in Anspruch 7 angegeben Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen 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 Kühlkontakt führenden Bereich eine nichtverschwindende und stetige räumliche Zunahme der Wärmeleitfähigkeit auf.
    Auf diese Weise wird die Wärmeableitung zum Kühlkontakt und der Wärmeübergang mittels des Kühlkontakts vorteilhaft maximiert.
  • Erfindungsgemäß erfolgt also keine abrupte Änderung der Wärmeleitfähigkeit von einem aus einem ersten Material gebildeten Bauteil zu einem nächsten, aus einem weiteren Material gebildeten Bauteil, sondern die Wärmeleitfähigkeit nimmt kontinuierlich 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 Einflussgrößen zu verstehen.
  • Unter einem "thermisch von [...] zu [...] führenden Bereich" ist ein Bereich eines Wärmeleitungspfades zu verstehen, entlang welchem Wärme durch Wärmeleitung transportiert wird.
  • Unter einer räumlichen Zunahme der Wärmeleitfähigkeit : ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Zunahme der Wärmeleitfähigkeit entlang zumindest einer Raumrichtung oder entlang zumindest eines Pfades, konkret entlang eines Wärmeleitungspfades zwischen Wechselwirkungsbereich und Kühlkontakt, zu verstehen. Entsprechend ist der Begriff der räumlichen Änderung zu verstehen.
  • Unter dem Begriff "Wechselwirkungsbereich" ist derjenige Bereich der Anode zu verstehen, welcher zur Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl zwecks Erzeugung von Röntgenstrahlung angeordnet ist.
  • Der thermisch vom Wechselwirkungsbereich zum Kühlkontakt führende Bereich weist eine thermisch in Richtung auf den Kühlkontakt zu erfolgende Zunahme der Wärmeleitfähigkeit auf. Optional weist der Kühlkontakt eine Oberfläche auf, wobei eine Zunahme der Wärmeleitfähigkeit entlang eines Abschnitts der Oberfläche besteht. Insbesondere erfolgt eine Zunahme der Wärmeleitfähigkeit entlang eines Abschnitts eines an der Oberfläche angeordneten Kühlfluidpfads.
  • Bei der erfindungsgemäßen Röntgenröhre ist die räumliche Zunahme geeigneterweise mit einer räumlichen Änderung der Materialzusammensetzung gebildet. Es sind vielfältige Fertigungsverfahren zur Fertigung von Werkstücken mit räumlicher Änderung 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. Bevorzugt ändert sich bei dem Durchdringungsgefüge der lokale relative Anteil der beiden Materialien in zumindest einer Richtung oder entlang zumindest eines Pfads.
  • In dieser Weiterbildung wird also ausgehend von einem Material 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 Materialzusammensetzung 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 einen ausfallsicheren Betrieb der erfindungsgemäßen Röntgenröhre sowie eine hohe Lebensdauer.
  • Optional sind bei der erfindungsgemäßen Röntgenröhre die eingesetzten Materialien hinsichtlich ihrer thermischen Ausdehnungskoeffizienten aneinander angepasst. Infolge der angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Röntgenröhre aufgrund der folglich reduzierten mechanischen Spannungen im Betrieb deutlich erhöht.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist bei der erfindungsgemäßen Röntgenröhre die räumliche Änderung der Materialzusammensetzung 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.
  • Bei der erfindungsgemäßen Röntgenröhre ist die Anode eine Drehanode und die Anode weist einen innenliegenden Kühlkanal auf, wobei der Kühlkontakt innenliegend, an dem Kühlkanal, angeordnet ist. Die Anode ist eine Drehanode, wobei die Anode um eine Drehachse drehbar ist und der Kühlkanal innenliegend, optional an der Drehachse und/oder die Drehachse umgebend, angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Röntgenröhre in dieser Weiterbildung besonders kompakt ausgebildet.
  • Ein abrupter Wechsel der Wärmeleitfähigkeit infolge von scharfen Materialgrenzen wie bei der bloßen Anbindung von separaten Bauteilen aus Materialien mit voneinander abweichenden Wärmeleitfähigkeiten unterfällt nicht der erfindungsgemäß vorgesehenen stetigen Zunahme der Wärmeleitfähigkeit.
  • Unter einer Beurteilung mit einer räumlichen Auflösung ist zweckmäßig eine Mittelung der Materialeigenschaft wie insbesondere der Wärmeleitfähigkeit oder einer prozentualen Materialzusammensetzung über einen Raumwürfel oder eine Raumkugel mit einer Kantenlänge oder einem Radius entsprechend dieser Auflösung zu verstehen.
  • In der erfindungsgemäßen Röntgenröhre bildet der Kühlkontakt eine Kühloberfläche. An dieser Kühloberfläche kann ein Kühlfluid, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, entlang streichen und Wärme von der Kühloberfläche aufnehmen und so von der Anode abführen. Alternativ oder zusätzlich ist bei einer ebenfalls vorteilhaften Weiterbildung der Röntgenröhre der Kühlkontakt an einen Kühlkörper thermisch angebunden. Zweckmäßig ist der Kühlkörper ein Teil der erfindungsgemäßen Röntgenröhre.
  • Das erfindungsgemäße Röntgengerät weist eine erfindungsgemäße Röntgenröhre wie oben beschrieben auf.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Fertigung einer Röntgenröhre und/oder eines Röntgengeräts wie oben beschrieben wird der Bereich mittels additiver Fertigung mit einer räumlichen Änderung der Materialzusammensetzung oder mittels eines teilporösen Materials und Infiltration des Materials gebildet. Als Verfahren zur additiven Fertigung kommen zweckmäßig ein Verfahren zum Mehrkomponenten-Laserauftragschweißen, d.h. ein Verfahren der sog. "Laser Metal Deposition" mit mindestens zwei Ausgangspulvern, welche während der Fertigung mit veränderlichem Mischungsverhältnis gemischt werden, und/oder ein Cold-Spray-Verfahren oder ein drahtbasiertes additives Fertigungsverfahren und/oder ein Cold-Metal-TransferVerfahren zum Einsatz. Alternativ oder zusätzlich kann ein teilporöser Vorformling aus einem ersten Material, etwa einem Übergangsmetall wie Molybdän, zur Bildung des Bereichs herangezogen werden, welcher anschließend mit einem zweiten Material, etwa einem Metall wie Kupfer, infiltriert wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Vorformling aus einem ersten Material, etwa Molybdän, herangezogen werden, welcher sich in einer Richtung oder entlang eines Pfads - insbesondere ausgehend von einem Volumenmaterial - in sich verjüngende Vorsprünge und/oder Fasern zergliedert, d.h. vereinzelt, wobei ein zweites Material, vorzugsweise Kupfer, in die durch die sich verjüngenden Vorsprünge und/oder Fasern eröffneten Freiräume 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 Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Durchdringungsgefüge, welches zugleich eine vorteilhafte Weiterbildung eines Durchdringungsgefüges der erfindungsgemäßen Röntgenröhre wie oben beschrieben bildet.
  • Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kühlkörper an den Kühlkontakt angeordnet. Besonders zweckmäßig werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weitere Elemente an den Kühlkontakt oder mit diesem integral ausgebildet. Vorzugsweise 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 zeigen:
    • 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 gem. Fig. 1 schematisch im Querschnitt sowie
    Fig. 3
    einen Ausschnitt der Einzelheit gem. Fig. 2 in einer schematischen perspektivischen Darstellung.
  • Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Röntgengerät 10 weist in an sich bekannter Weise eine erfindungsgemäße Röntgenröhre 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 Anodenteller 35 einer Drehanode 40 zu richten. Infolge der Bestrahlung des Anodentellers mit dem Elektronenstrahl wird innerhalb des Anodentellers 35 Röntgenstrahlung erzeugt. Innerhalb des Anodentellers 35 entsteht dabei lokal eine Wärmespitze.
  • Zur Kühlung der Drehanode 40 ist diese im Bereich der Drehachse 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 Drehanode 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 Kühlkanal geleitete Kühlflüssigkeit abgegeben wird.
  • Die Drehanode 40 ist am Ort des Anodentellers 35 in an sich bekannter Weise aus reinem Molybdän ausgebildet. In einem Bereich 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 befindlich 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 einem Anteil von 100 Prozent an der Oberfläche 80 stetig an. Die Drehanode 40 ist dazu erfindungsgemäß in dem an den Anodenteller 35 angrenzenden Bereich 85 additiv mittels Laserauftragsschweißens gefertigt, wobei als Schweißmaterial pulverförmiges 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 Bereichs 85 ausschließlich Molybdän herangezogen wird. Bei der Fertigung des Bereichs 85 wird ein steigender Anteil von Kupfer zugesetzt, je näher der aktuell gefertigte Teil des Bereichs 85 an der Oberfläche 80 befindlich ist. In einer der Oberfläche 80 nahen Schicht 90 ist der Bereich 85 der Drehanode 40 ausschließlich aus Kupfer gefertigt. Der Anodenteller 35 kann beispielsweise mittels eines konventionellen spanenden Fertigungsverfahrens separat gefertigt werden und nachfolgend mit dem additiv gefertigten Bereich 85 zusammengefügt werden.
  • In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Drehanode 40 alternativ in einem einzigen Verfahrensgang additiv gefertigt werden.
  • In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen wird der ansteigende Anteil von Kupfer nicht mittels Laserauftragsschweißens realisiert, sondern die Drehanode 40 wird mittels eines anderen additiven Fertigungsverfahrens gefertigt, beispielsweise mittels eines Cold-Spray-Verfahrens oder mittels eines drahtbasierten additiven Fertigungsverfahrens, etwa des Cold-Metal-Transfer-Verfahrens.
  • In einem weiteren nicht gesondert dargestellten Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel 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 Kupfer infiltriert wird. Mit einer Ortsauflösung von 300 Mikrometern kann auch ein solcher mit Kupfer infiltrierter Molybdänschwamm, welcher in diesem Ausführungsbeispiel einen Porendurchmesser von weniger als 50 Mikrometern und eine räumliche Dichte von mehreren Poren je 300 Quadrat-Mikrometern als mit einer räumlich stetig ansteigenden Wärmeleitfähigkeit ausgebildet angesehen werden.
    In weiteren Ausführungsbeispielen, welche nicht eigens dargestellt sind, sind zusätzlich an der Oberfläche 80 der Drehanode 40 weitere Elemente angeordnet, beispielsweise Kühllamellen 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 Figuren 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 Drehteller 35 der Drehanode 40 ausgebildet ist. Der Vorformling 95 umfasst dazu zusätzlich zu dem Drehteller 35 an diesem Drehteller 35 angeordnete Vorsprünge 100, welche sich in eine Wärmeleitungsrichtung W, d.h. jeweils in die thermisch zur Oberfläche 80 führende Richtung, vom Drehteller 35 fortstrecken. 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 quadratischen 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 vorhanden 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 jenseits der Spitzen der Vorsprünge 100 schließt sich eine Schicht 90 reinen Kupfers an, welche die am Kühlkanal 60 angrenzende Oberfläche 80 der Drehanode 40 aufweist.
  • In weiteren Ausführungsbeispielen, welche nicht eigens abgebildet sind und im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen, ist die Oberfläche 80 auch in Richtung der Drehachse 50 und folglich in Richtung des Kühlfluidpfads 70 hinsichtlich eines nichtverschwindenden Gradienten in der Materialzusammensetzung und der Wärmeleitfähigkeit strukturiert. Dabei wird ein thermisches Modell der Drehanode herangezogen und die räumliche Strukturierung hinsichtlich des Wärmeabtransports optimiert.

Claims (8)

  1. Röntgenröhre mit einer als Drehanode ausgebildeten Anode (40) mit einem als Anodenteller ausgebildeten Wechselwirkungsbereich (35), einem Kühlkontakt (80) und einem innenliegenden Kühlkanal (60), wobei der Kühlkontakt (80) eine Kühloberfläche bildend innenliegend an dem Kühlkanal (60) angeordnet ist, bei welcher die Anode (40) in einem thermisch vom Wechselwirkungsbereich (35) zum Kühlkontakt (80) führenden, zwischen dem Anodenteller und der an den Kühlkanal (60) angrenzenden Oberfläche befindlichen Bereich (85) eine nichtverschwindende, kontinuierliche und stetige räumliche Zunahme der Wärmeleitfähigkeit, die die spezifische Wärmeleitfähigkeit als Stoffgröße ist, entlang des Wärmeleitungspfades zwischen Wechselwirkungsbereich (35) und Kühlkontakt (80) aufweist.
  2. Röntgenröhre nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welcher die räumliche Zunahme mit einer räumlichen Änderung der Materialzusammensetzung 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 Molybdän zu Kupfer gebildet ist.
  5. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 2 - 4, bei welcher die räumliche Änderung der Materialzusammensetzung zumindest mit einem ersten und einem zweiten, vom ersten verschiedenen, 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, vereinzelt.
  6. Röntgengerät mit einer Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Verfahren zur Fertigung einer Röntgenröhre (20) und/oder eines Röntgengeräts (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Bereich mittels additiver Fertigung mit einer räumlichen Änderung der Materialzusammensetzung oder mittels eines teilporösen Materials und Infiltration des Materials gebildet wird.
  8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem ein Kühlkörper an den Kühlkontakt angeordnet wird.
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