EP4104198A1 - Röntgendrehanode - Google Patents

Röntgendrehanode

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Publication number
EP4104198A1
EP4104198A1 EP20804207.7A EP20804207A EP4104198A1 EP 4104198 A1 EP4104198 A1 EP 4104198A1 EP 20804207 A EP20804207 A EP 20804207A EP 4104198 A1 EP4104198 A1 EP 4104198A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
adapter
ray
base body
rotating anode
connection component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20804207.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian FEIST
Stefan Gerzoskovitz
Jürgen SCHATTE
Arno Plankensteiner
Christian BIENERT
Karl Huber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Plansee SE
Original Assignee
Plansee SE
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Filing date
Publication date
Application filed by Plansee SE filed Critical Plansee SE
Publication of EP4104198A1 publication Critical patent/EP4104198A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
    • H01J35/101—Arrangements for rotating anodes, e.g. supporting means, means for greasing, means for sealing the axle or means for shielding or protecting the driving
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    • H01J2235/08—Targets (anodes) and X-ray converters
    • H01J2235/086—Target geometry
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J2235/10—Drive means for anode (target) substrate
    • H01J2235/1006—Supports or shafts for target or substrate
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/12—Cooling
    • H01J2235/1204—Cooling of the anode

Definitions

  • the present invention relates to an X-ray rotary anode according to claim 1.
  • X-ray rotating anodes are used in X-ray tubes, which are used, for example, in imaging processes in medical diagnostics or for material examinations in research and industry.
  • X-ray tube When the X-ray tube is in operation, electrons emitted by a cathode are accelerated onto the rotating X-ray anode, which rotates around an axis, with X-rays being generated by the interaction of the high-energy electrons with the anode material. A large part (approx. 99%) of the energy of the electron beam is converted into heat and has to be dissipated.
  • cooling is mostly carried out primarily by thermal radiation from the surface of the rotating X-ray anode.
  • Known X-ray rotating anodes usually consist of a composite body with a disk or plate-shaped base body made of ADtem temperature-resistant material (usually a molybdenum alloy or a composite of a molybdenum alloy with graphite), on which an annular focal path coating on one side X-ray generating material (usually tungsten or a tungsten alloy) is arranged.
  • the disk-shaped or plate-shaped base body is connected to a rotor via a shaft and is driven via this.
  • X-ray rotating anodes can therefore be operated at significantly higher outputs compared to standing anodes.
  • the focus of the present invention is on X-ray rotating anodes that have a low mass and are suitable for higher rotational frequencies. Many applications require higher radiation intensity, resulting in higher Power densities and a higher local heat input in the focal point area leads. To counter this, one is interested in higher focal spot speeds; for a given focal path diameter, this is synonymous with an increase in the rotational frequency of the X-ray rotary anode.
  • thermomechanical loads are plastic deformations in metal or composite rotating anodes, which are often associated with crack formation, especially in the outer and inner diameter area of the X-ray rotating anode and limit the service life of the X-ray rotating anode.
  • the object of the present invention is to further develop X-ray rotating anodes and to provide X-ray rotating anodes which have the lowest possible mass, so that high rotational frequencies are possible without the bearing being overloaded during operation.
  • the X-ray rotating anode should also have an improved thermomechanical load capacity. In particular, plastic deformations and cracks, as they like previously described can occur with disk-shaped or plate-shaped, molybdenum-based rotary X-ray anodes, occur significantly less.
  • an X-ray rotary anode for generating X-rays which has an annular base body made of carbon-based material.
  • the ring-shaped base body In relation to an axial direction (defined by the axis of the ring-shaped base body; it coincides with the axis of rotation of the X-ray rotating anode), the ring-shaped base body has two opposite end faces, with an annular focal path surface being arranged on the end face facing the electron beam during operation - the focal path side.
  • high-energy electrons are accelerated onto these and X-rays are generated by the interaction of the electrons with the material of the focal path covering.
  • the annular base body In relation to a radial direction (runs outward from the axis of rotation and lies in a plane orthogonal to the axial direction), the annular base body has a surface located radially on the inside - the radial inner surface - which points to the axis of rotation, and opposite to this a surface located radially on the outside , the radial outer surface.
  • the ring-shaped base body has a mechanically supporting function for the focal path surface and is important for heat absorption and heat storage.
  • the X-ray rotary anode also has a metallic connecting component which is arranged radially on the inside relative to the annular base body and which is used to connect the annular base body to a drive shaft.
  • the drive shaft is not considered to be part of the X-ray rotating anode.
  • the X-ray rotary anode according to the invention is further characterized in that the radially outer section of the metallic connecting component is formed by a tubular metallic adapter.
  • the tubular adapter can be manufactured as an originally separate component, which is connected to one or more additional part (s) to form the metallic connecting component.
  • the tubular adapter can also be an integrated section of a monolithically manufactured connecting component - in this case the tubular adapter is not a separately manufactured component.
  • the radial outer surface of the adapter (at the same time corresponds to the radial outer surface of the metallic connecting component) is at least partially connected to at least one section of the radial inner surface of the annular base body in a planar and materially bonded manner.
  • the cohesive connection zone between the ring-shaped base body and the metallic adapter extends at least 75, in particular 90, particularly preferably 95 area percent along the radial inner surface of the ring-shaped base body.
  • the ring-shaped base body and the metallic connecting component abut one another primarily in the radial direction.
  • the metallic connecting component can indeed protrude beyond the end face of the annular base body and be materially connected to the base body along its end face, but the base body and the connecting component are primarily materially connected to one another in the radial direction.
  • the radially inner section of the metallic connecting component is formed by a metallic shaft connection component which protrudes radially inward relative to the adapter. It can - analogously to the tubular adapter - be manufactured as a separate component and materially connected to the tubular adapter or, alternatively, be a section of a monolithically manufactured connecting component. Shaft connection component and / or tubular adapter are preferably designed with thin walls.
  • Carbon-based materials are understood to mean, in particular, graphite or carbon fiber-reinforced carbon (carbon fiber carbon composite, CFG).
  • Graphite is characterized by an extremely low density and has a high specific heat capacity, which is important so that the X-ray rotary anode can absorb and store high amounts of heat during operation.
  • C FC materials are made up of carbon fibers in a matrix are embedded in pure carbon. These give the material its high mechanical strength. The low density of these materials allows the base body of the X-ray rotating anode to be voluminous, so that it has a very high thermal capacity, while at the same time the mass of the X-ray rotating anode can be kept comparatively low.
  • Ring-shaped is understood to mean a hollow cylindrical shape of a body in which the wall thickness of the body in the radial direction is greater than the extent (height) in the axial direction.
  • Tubular is understood to be a hollow cylinder-like shape in which the wall thickness of the body in the radial direction is smaller than the height in the axial direction (with varying wall thickness or height, reference is made to the greatest expansion in the radial or axial direction).
  • the geometry of the ring-shaped base body or the tubular adapter is not limited to shapes with a geometrically exact hollow cylinder geometry, i.e. the generatrices of the lateral surfaces do not necessarily have to be a straight line; in particular, they can be curved.
  • the shape is also not limited to (continuous) rotational symmetry (symmetry with respect to a rotation around any angle), but can also have, for example, only an n-fold rotational symmetry with a natural number n> 2 (symmetry with respect to a rotation around 360 h) .
  • rotational symmetry is used to refer to a symmetry with respect to a rotation through an arbitrary angle.
  • the annular base body can be chamfered radially outward, for example, on the focal path side in that area where the focal path covering is arranged.
  • Ring-shaped or tubular is also understood in particular when the shape in the radial section (a plane through the axial direction), for example the thickness of the ring or tube wall and / or the outer contour, changes in the axial direction, for example when it is a conical tube.
  • Tubular also includes, in particular, a tube in whose wall cooling fins are integrated.
  • tubular is also understood to mean a tube in which a section protrudes in a flange-like manner, for example around the annular shaped body on it To support the front side and to create an additional connection option on the front side.
  • the construction of the X-ray rotating anode according to the invention thus differs significantly both from the disk-shaped or plate-shaped rotating X-ray anodes mentioned at the beginning and from concepts from the patent literature, such as the rotating anode in US20100027754 (Siemens), in which an annular base body made of graphite - in contrast to the present one Invention - is mounted in the axial direction on a disc-shaped metallic connecting component.
  • the present X-ray rotary anode also differs significantly from the X-ray rotary anode in EP0016485 (Philips), in which a graphite ring is arranged around a massive inner disc and the tubular adapter is missing.
  • the X-ray rotating anode according to the invention has a number of advantages: Compared to conventional metal or composite rotating anodes, it is distinguished by a significantly lower mass.
  • the lightweight construction is achieved through the use of carbon-based materials for the base body and the slim design of the metallic connecting component.
  • the component serving as a heat store has an advantageously high mass fraction.
  • the ring-shaped design of the carbon-based base body leads to an optimized utilization of its heat storage capacity and enables relatively low compensation temperatures between the electron beam shots or low average cycle temperatures.
  • there is no metallic connection characterized by a low heat transfer resistance, between the focal path covering and the connecting component.
  • the compact shape also ensures an increase in the lowest natural frequency, which, in addition to the low mass, fulfills a second important requirement so that the X-ray rotary anode can be used at high speeds.
  • a slight shift on the outer circumference and only a slight change in the focal path angle can be ensured even at high speeds.
  • the outer circumference of the metallic adapter decreases in the axial direction, in particular in the direction of the focal path side, and the shape of the annular base body is adapted accordingly.
  • this reduction in the direction of the focal path side causes, in particular, a more uniform, in the optimal case approximately isothermal temperature distribution along the connection zone between the metallic adapter and the base body.
  • areas in the connection zone between the adapter and the base body that are spatially closer to the focal path surface in the axial direction are further away from the focal path surface in the radial direction. In this way, the different distance between the focal path covering and individual areas in the adapter / base body connection zone is more balanced, which has a positive effect on the temperature distribution and the associated thermally induced stresses along the connection zone.
  • the metallic connecting component is rotationally symmetrical, in particular the annular adapter is rotationally symmetrical.
  • the adapter advantageously has a frustoconical basic shape with a cone angle in the range between 155 ° and 205 °, in particular between 155 ° and 180 °, particularly preferably between 160 ° and 175 °.
  • Range specifications for the angle include the respective limit values.
  • the cone angle refers to the alignment of the tangential plane of the adapter jacket surface relative to the axial direction, the cone angles are measured from the focal path side:
  • a truncated cone with a cone angle of 180 ° corresponds to a hollow cylinder, a truncated cone with an angle in the range> 90 ° and ⁇ 180 ° is tapered in the direction of the focal path side, a truncated cone with angles> 180 ° and ⁇ 270 ° is tapered in the opposite direction, in this case the outer circumference of the metallic adapter increases in the direction of the focal path side.
  • frustoconical adapters are that, especially for cone angles in the angular range between 160 ° and 175 °, the approximately isothermal temperature profile, which is advantageous as detailed above, can be set along the adapter / base body connection zone, and the adapter can nevertheless be manufactured comparatively easily and inexpensively.
  • the adapter is a rotationally symmetrical shape, which also has a symmetry with respect to a plane normal to the axial direction (plane of rotation). Loads on the bearing are also minimized.
  • An example of such a shape is an adapter with a toroidal basic shape. In the radial section, the contact surface of the adapter to the base body has the shape of an outwardly curved, open shell.
  • the height of the adapter and the ring-shaped base body in the connection area are matched to one another, i.e. the height of the adapter in the axial direction corresponds to the height of the ring-shaped base body in the axial direction in the connection area.
  • the metallic shaft connection component is the radially inner section of the metallic connecting component and, as already stated above, can be manufactured as a separate component, which is then connected to the adapter in a materially bonded manner on the radially inner side. However, it can also be a section of a monolithically manufactured connecting component. If if not explicitly mentioned otherwise, the following considerations should include both variants.
  • the metallic shaft connection component is connected at its radially outer circumference to the radial inner surface of the tubular adapter.
  • the radially inner section of the shaft connection component is used for the direct or indirect connection to the drive shaft and can, for example, have openings for screw connections with which the X-ray rotary anode is fixed on the drive shaft.
  • a preferred embodiment of the shaft connection component has a circular disk-shaped basic shape.
  • the shaft connection component preferably has the shape of an exact circular ring disk.
  • the disk is advantageously arranged in the plane of rotation.
  • the disk does not have to be flat, but can also have steps (in the radial section the shape is then not straight, but can have one or more steps).
  • the shaft connection component can also have a frustoconical basic shape; the cone angle is preferably in a range between 90 ° and 100 ° (measured from the axial direction) or in a range between 260 ° and 270 °. In this case, the shaft connection component is slightly tilted in the radial section with respect to the plane of rotation.
  • a truncated cone with 90 ° or 270 ° C corresponds to a disk that lies in the plane of rotation.
  • a truncated cone with an angle in the range> 90 ° and ⁇ 180 ° is tapered towards the focal path side, a truncated cone with an angle in the range> 180 ° and ⁇ 270 ° opens towards the focal path side.
  • the shaft connection component and / or the adapter can preferably have structures such as relief slots or stiffeners that interrupt the rotational symmetry.
  • Relief slots in the shaft connection component help, on the one hand, to save mass and, on the other hand, can be helpful in making the thermomechanical stresses that occur during operation more manageable.
  • the center of gravity of the shaft connection component is preferably located, particularly preferably also the radially inner section of the Shaft connection component to which the drive shaft is attached, in the axial direction within the extension of the adapter in the axial direction.
  • the center of area or the radially inner section of the shaft connection component does not lie outside the extent of the adapter in the axial direction.
  • the shaft connection component is preferably connected essentially centrally to the radial inner surface of the adapter, in particular the shaft connection component is connected to the radial inner surface of the adapter in a range of 40 to 60% of the height of the adapter in the axial direction.
  • the transition area in which the shaft connection component and adapter meet is advantageously rounded and does not have any sharp-edged transitions.
  • the material connection between the two components is preferably made by means of a soldered connection. Zirconium, in particular, comes into consideration as the soldering material.
  • the present X-ray rotary anode is characterized overall by a slim construction of the metallic connecting component, which, despite the thin-walled components, has sufficient mechanical stability.
  • the adapter preferably has a thickness in the radial direction of less than 5 mm, but at least greater than 1.5 mm.
  • the thickness of the shaft connection component in the axial direction is preferably less than 10 mm, in particular less than 5 mm, but at least greater than 1.5 mm.
  • the maximum thickness of the shaft connection component in the axial direction is preferably less than 20%, in particular less than 15% of the height of the adapter in the axial direction.
  • Suitable materials for the metallic connecting component with regard to thermal expansions are in particular molybdenum and molybdenum-based alloys (eg TZM, MHC), tungsten or tungsten-based alloys and an alloy based on copper.
  • a molybdenum-based, tungsten-based or copper-based alloy is referred to as an alloy Reference is made, which has at least 50 wt.% Molybdenum, tungsten or copper.
  • TZM refers to a molybdenum alloy with a titanium content of 0.5% by weight, a zirconium content of 0.08% by weight, a carbon content of 0.01-0.04% by weight and the remaining proportion (apart from impurities) referred to as molybdenum.
  • MHC is understood to be a molybdenum alloy which has a hafnium content of 1.0 to 1.3% by weight, a carbon content of 0.05 to 0.12% by weight, an oxygen content of less than 0, 06% by weight and the remaining proportion (apart from impurities) has molybdenum.
  • the metallic connecting component can also comprise a tungsten-copper composite material, a molybdenum-copper composite material, a copper composite material or a particle-reinforced alloy such as a particle-reinforced copper alloy. What all these materials have in common is that they are resistant to high temperatures and have a comparatively low coefficient of thermal expansion.
  • the metallic connection component can in particular also be constructed from different materials, ie the shaft connection component and adapter can consist of different materials.
  • the metallic connecting component preferably has an intermediate component or an intermediate layer made of a material with low thermal conductivity, in particular made of a ceramic material such as ZrÜ2.
  • This intermediate component or intermediate layer acts as a thermal brake and is intended to suppress the flow of heat in the direction of the rotating anode bearing as well as possible.
  • the intermediate component serving as a thermal brake or the intermediate layer is preferably arranged in the radially inner area of the shaft connection component.
  • the thermal brake can be implemented, for example, by a coating applied radially on the inside of the shaft connection component or by a circular ring-shaped disk arranged radially on the inside of the shaft connection component.
  • the metallic connecting component is materially connected to the annular base body via the tubular adapter on its radial outer surface.
  • the material connection between the tubular adapter and the ring-shaped base body is preferably made by means of a soldered connection. Zirconium is preferably used as the soldering material.
  • the tubular adapter is advantageously soldered directly to the annular base body.
  • the material connection can optionally be reinforced by form-fitting elements such as a tongue and groove connection.
  • the ring-shaped base body has a mechanically supporting function for the focal path covering and takes on thermal functions (heat absorption and storage). It consists of carbon-based material such as graphite in particular.
  • the focal path covering is preferably formed from at least one of the following materials: i. Tungsten, ii. a tungsten-based alloy, and / or iii. a carbide, nitride, carbonitride of at least one of the following materials: i. Tungsten, ii. a tungsten-based alloy, and / or iii. a carbide, nitride, carbonitride of at least one of the
  • the focal path coating is formed from a tungsten-rhenium alloy which has a rhenium content of up to 26% by weight; the rhenium content is preferably in a range between 5 and 15% by weight.
  • the material of the focal path covering can also be a mixed carbide of two or more of these transition metals hafnium, tantalum or tungsten, it can also be a mixed carbonitride of two or more of these transition metals.
  • the thickness of the focal path coating is usually in the range from 0.05 to 2 mm.
  • the focal path coating can be applied to the base body using known technologies such as, for example, by soldering the focal path coating onto the base body or by known coating processes such as thermal spraying, plasma spraying, physical vapor deposition (PVD, physical vapor deposition) or chemical vapor deposition (CVD, chemical vapor deposition).
  • At least one intermediate layer which is metallic or ceramic, is preferred between the focal path covering and the base body can be arranged. This intermediate layer supports the connection and adhesion of the focal path covering to the base body and can, for example, also be designed as a barrier layer to suppress unwanted carbon diffusion into the focal path covering.
  • the at least one intermediate layer advantageously also helps to suppress the propagation in the direction of the base body of cracks that arise in the focal path coating during operation of the X-ray rotary anode as a result of the interaction with high-energy electrons.
  • a metallic intermediate layer this is preferably formed from rhenium, molybdenum, tantalum, niobium, zirconium, titanium or compounds or alloys of these metals or combinations of these metals
  • ceramic intermediate layers are preferably formed from carbides such as silicon carbide or nitrides such as boron nitride or titanium nitride .
  • several intermediate layers can also be arranged one above the other and form an intermediate layer stack.
  • metallic and ceramic intermediate layers can alternate in the intermediate layer stack.
  • FIG. 1a a perspective sectional illustration of a first embodiment variant of the X-ray rotary anode
  • FIG. 1b a plan view of the X-ray rotating anode of FIG. 1a;
  • FIG. 1c a radial sectional illustration of the X-ray rotary anode of FIG. 1a along the sectional plane A-A;
  • FIG. 1d a temperature profile of the X-ray rotating anode from FIG. 1a in a perspective sectional illustration
  • FIG. 2a a perspective sectional illustration of a second embodiment variant of the X-ray rotating anode
  • FIG. 2b a plan view of the X-ray rotating anode of FIG. 2a;
  • FIG. 2c a radial sectional illustration of the X-ray rotating anode from FIG. 2a along the sectional plane A-A;
  • FIG. 3a a perspective sectional illustration of a third embodiment variant of the X-ray rotary anode
  • 3b a plan view of the X-ray rotating anode from FIG. 3a
  • FIG. 3c a radial sectional view of the X-ray rotating anode from FIG. 3a along the section plane AA.
  • FIG. 1a shows a schematic perspective sectional illustration of a first embodiment variant of the X-ray rotary anode.
  • the X-ray rotating anode 10 is constructed to be rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation R and consists of an annular base body 11 made of graphite, on whose beveled end face an annular focal path covering 12 is arranged.
  • Graphite has a comparatively low density and is characterized by a comparatively high specific heat capacity.
  • high-energy electrons are accelerated onto the focal path covering 12 in order to generate X-rays.
  • the focal path covering 12 consists of a tungsten-rhenium alloy with a rhenium content of approximately 10% by weight and is applied to the annular base body 11 as a sprayed layer.
  • one or more intermediate layer (s), in particular made of rhenium, can be arranged between the base body 11 and the focal path covering 12 (not shown in FIG. 1 a).
  • the annular base body 11 can be connected to a drive shaft (not shown) via the metallic connecting component 13 located radially on the inside.
  • the openings 16 are used to accommodate screw connections for fastening on the drive shaft.
  • the metallic connecting component 13 is composed of the tubular adapter 14 and the annular disk-shaped shaft connection component 15 and is located completely within the contour spanned by the base body 11 both in the radial direction and in the axial direction.
  • the tubular adapter 14 has a frustoconical basic shape with a cone angle 17 of approximately 160 °; its outer diameter decreases in the direction of the focal path side.
  • the tubular adapter 14 is materially connected on its radial outer surface to the radial inner surface of the annular base body 11 by means of a soldered connection.
  • the cohesive connection zone between the annular base body 11 and the tubular adapter 14 extends over the entire radial inner surface of the annular base body 11.
  • the tapering of the tubular adapter in the direction of the focal path side a more uniform, approximately isothermal temperature distribution along the connection zone between tubular adapter 14 and base body 11 is achieved.
  • the temperature profile is shown in FIG. 1d, in which the temperature profile determined by means of computer simulation is shown. Lighter areas correspond to higher temperatures, while the temperature decreases as the shade of gray becomes darker.
  • the temperature profile along the connection zone between the tubular adapter 14 and the base body 11 is approximately isothermal for typical operating parameters.
  • the shaft connection component 15 meets the radial inner surface of the tubular adapter 14 in the middle in a slightly rounded transition area Molybdenum or tungsten or an alloy based on these metals (e.g. TZM, MHC).
  • the X-ray rotary anode 10 ‘shown in FIGS. 2a to 2c has a somewhat wider focal path covering 12‘ and differs from the embodiment in FIGS. 1a to 1c with regard to the shape of the annular base body 1T (more rounded corners).
  • the annular adapter 14 ‘has a slightly larger cone angle 17‘ (approximately 170 °) and the shaft connection component 15 ‘does not engage in the middle of the adapter 14‘, but is arranged offset in the direction of the focal path side.
  • the X-ray rotating anode 10 ′′ shown in FIGS. 3 a to 3c has an adapter 14 ′′ with a toroidal basic shape, the contact surface of which with the base body 11 ′′ is open concave to the outside.
  • the adapter 14 ′′ is tapered in the direction of the focal path side, analogously to the two previous embodiments.
  • All three X-ray rotating anodes 10, 10 ", 10" have a compact shape with low mass and are characterized by good thermomechanical properties. They have an advantageously high mass fraction of the as Heat storage serving base body. In addition, there is no metallic connection between the focal path coating and the radially inner area of the rotary X-ray anode.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Röntgendrehanode (10,10', 10") zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, welche einen ringförmigen Grundkörper (11, 11', 11") aus kohlenstoffbasiertem Material, einen ringförmigen Brennbahnbelag (12, 12', 12"), der auf einer Brennbahnseite des Grundkörpers (11, 11', 11") angeordnet ist, und ein metallisches, relativ zum Grundkörper radial innenseitig angeordnetes Verbindungsbauteil (13,13', 13") aufweist. Der radial äußere Abschnitt des Verbindungsbauteils (13, 13', 13") wird durch einen rohrförmigen metallischen Adapter (14, 14', 14") gebildet. Die radiale Außenfläche des Adapters (14, 14', 14") ist zumindest teilweise mit zumindest einem Abschnitt der radialen Innenfläche des Grundkörpers (11, 11', 11") flächig und stoffschlüssig verbunden, wobei sich die stoffschlüssige Verbindungszone zwischen Grundkörper (11, 11', 11") und Adapter (14, 14', 14") zu zumindest 75 Flächenprozent entlang der radialen Innenfläche des Grundkörpers (11, 11', 11") erstreckt.

Description

RÖNTGENDREHANODE
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgendrehanode gemäß Anspruch 1.
Röntgendrehanoden werden in Röntgenröhren eingesetzt, welche beispielsweise bei bildgebenden Verfahren in der medizinischen Diagnostik oder für Materialuntersuchungen in Forschung und Industrie Verwendung finden. Im Betrieb der Röntgenröhre werden von einer Kathode emittierte Elektronen auf die um eine Achse rotierende Röntgendrehanode beschleunigt, wobei durch Wechselwirkung der hochenergetischen Elektronen mit dem Anodenmaterial Röntgenstrahlung entsteht. Ein Großteil (ca. 99 %) der Energie des Elektronenstrahls wird dabei in Wärme umgewandelt und muss abgeführt werden. Bei Röntgendrehanoden erfolgt die Kühlung meistens primär durch thermische Abstrahlung von der Oberfläche der Röntgendrehanode.
Bekannte Röntgendrehanoden bestehen in der Regel aus einem Verbund körper mit einem scheiben- bzw. tellerförmigen Grundkörper aus hochtem peraturbeständigem Material (üblicherweise eine Molybdän-Legierung oder ein Verbund aus einer Molybdän-Legierung mit Grafit), auf dem an einer Seite ein ringförmiger Brennbahnbelag aus einem Röntgenstrahl-erzeugenden Material (üblicherweise Wolfram oder einer Wolfram Legierung) angeordnet ist. Der scheiben- bzw. tellerförmige Grundkörper ist über eine Welle mit einem Rotor verbunden und wird über diesen angetrieben. Im Betrieb der Röntgendreh anode wird der Brennbahnbelag im Auftreffpunkt der Elektronen, dem Brenn fleck, thermisch äußerst stark beansprucht. Da sich der Brennfleck aufgrund der Rotation der Röntgendrehanode zyklisch über der Oberfläche des Brennbahn belags weiterbewegt, treffen die Elektronen laufend auf inzwischen wieder abgekühltes Brennbahnbelagsmaterial und der Wärmeeintrag kann rasch über die Röntgendrehanode verteilt werden. Röntgendrehanoden können daher im Vergleich zu Stehanoden bei deutlich höheren Leistungen betrieben werden.
Der Fokus der vorliegenden Erfindung liegt auf Röntgendrehanoden, die eine geringe Masse haben und für höhere Drehfrequenzen geeignet sind. Viele Anwendungen erfordern eine höhere Strahlungsintensität, was zu höheren Leistungsdichten und einem höheren lokalen Wärmeeintrag im Brennfleck bereich führt. Um dem zu begegnen, ist man an höheren Brennfleckgeschwin digkeiten interessiert, bei gegebenem Brennbahn-Durchmesser ist dies gleichbedeutend mit einer Steigerung der Drehfrequenz der Röntgendreh anode. Die maximal möglichen Drehfrequenzen sind bei herkömmlichen Röntgendrehanoden-Designs beschränkt: Neben den zyklischen, thermisch induzierten Spannungen wirken auf das Material der Röntgendrehanode Fliehkräfte, die im Fall von scheiben- bzw. tellerförmigen Röntgendrehanoden zu Umfangspannungen führen, welche im Bereich des Innenumfangs der Röntgendrehanode am höchsten sind. Die Folge dieser thermomechanischen Belastungen sind plastische Deformationen bei Metall bzw. Verbunddreh anoden, die oft mit Rissbildungen, insbesondere im Außen- und Innendurch messerbereich der Röntgendrehanode einhergehen und die Lebensdauer der Röntgendrehanode begrenzen. Nachteilig bei herkömmlichen Metall- bzw. Verbunddrehanoden ist zudem, dass diese für Hochleistungsanwendungen zur Beherrschung des zum Lager führenden Wärmestroms auf einem dünnwandigen, becherförmigen Stiel montiert werden. Dies führt zu einer großen Gesamtbauhöhe und vermindert die mechanische Steifigkeit. Das daraus resultierende niederfrequente Eigenfrequenzspektrum erlaubt keine hohen Einsatzdrehzahlen, wie sie von modernen Hochleistungs- Röntgendrehanoden gefordert werden. Und nicht zuletzt haben herkömmliche Metall- bzw. Verbunddrehanoden eine verhältnismäßig große Masse, die das Lager belastet und für den Einsatz bei hohen Drehfrequenzen hinderlich ist. Zusätzlich nachteilig ist, dass bei herkömmlichen Metall- bzw. Verbunddreh anoden die als Wärmespeicher dienende Komponente einen geringen Massenanteil aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, Röntgendrehanoden weiterzu entwickeln und Röntgendrehanoden zur Verfügung zu stellen, welche eine möglichst geringe Masse aufweisen, sodass hohe Drehfrequenzen möglich sind, ohne dass das Lager im Betrieb überlastet wird. Die Röntgendrehanode soll zudem eine verbesserte thermomechanische Belastbarkeit aufweisen. Insbesondere sollen plastische Deformationen und Rissbildungen, wie sie wie zuvor beschrieben bei scheiben- bzw. tellerförmigen, auf Molybdän basierenden Röntgendrehanoden auftreten können, deutlich reduzierter auftreten.
Diese Aufgabe wird durch eine Röntgendrehanode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Röntgendrehanode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung vorgeschlagen, die einen ringförmigen Grundkörper aus kohlenstoffbasiertem Material aufweist. Bezogen auf eine axiale Richtung (definiert durch die Achse des ringförmigen Grundkörpers, sie fällt mit der Rotationsachse der Röntgendrehanode zusammen) hat der ringförmige Grundkörper zwei gegenüberliegende Stirnseiten, wobei auf der im Betrieb dem Elektronenstrahl zugewandten Stirnseite - der Brennbahnseite - ein ringförmiger Brennbahnbelag angeordnet ist. Auf diesen werden im Betrieb der Röntgendrehanode hochenergetische Elektronen hinbeschleunigt und durch Wechselwirkung der Elektronen mit dem Material des Brennbahnbelags entsteht Röntgenstrahlung. Bezogen auf eine radiale Richtung (verläuft von der Drehachse nach außen und liegt in einer Ebene orthogonal zur axialen Richtung) hat der ringförmige Grundkörper eine radial innenseitig gelegene Fläche - die radiale Innenfläche -, die zur Drehachse weist, und entgegengesetzt dazu eine radial außenseitig gelegene Fläche, die radiale Außenfläche. Der ringförmige Grundkörper hat eine mechanisch tragende Funktion für den Brennbahnbelag und ist für die Wärmeaufnahme und Wärmespeicherung wichtig.
Die Röntgendrehanode weist ferner ein metallisches, relativ zum ringförmigen Grundkörper radial innenseitig angeordnetes Verbindungsbauteil auf, welches der Verbindung des ringförmigen Grundkörpers mit einer Antriebswelle dient.
Die Antriebswelle wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht als Teil der Röntgendrehanode betrachtet.
Die erfindungsgemäße Röntgendrehanode zeichnet sich ferner dadurch aus, dass der radial äußere Abschnitt des metallischen Verbindungsbauteils durch einen rohrförmigen metallischen Adapter gebildet wird. Der rohrförmige Adapter kann als ursprünglich separates Bauteil gefertigt werden, welches mit einem oder mehreren weiteren Teil(en) zum metallischen Verbindungsbauteil verbunden ist. Bei dem rohrförmigen Adapter kann es sich auch um einen integrierten Teilabschnitt eines monolithisch gefertigten Verbindungsbauteils handeln - in diesem Fall ist der rohrförmige Adapter kein separat gefertigtes Bauteil. Die radiale Außenfläche des Adapters (entspricht gleichzeitig der radialen Außenfläche des metallischen Verbindungsbauteils) ist zumindest teilweise mit zumindest einem Abschnitt der radialen Innenfläche des ringförmigen Grundkörpers flächig und stoffschlüssig verbunden. Die stoffschlüssige Verbindungszone zwischen ringförmigem Grundkörper und metallischem Adapter erstreckt sich dabei zu zumindest 75, insbesondere zu 90, besonders bevorzugt zu 95 Flächenprozent entlang der radialen Innenfläche des ringförmigen Grundkörpers. In anderen Worten ausgedrückt stoßen der ringförmige Grundkörper und das metallische Verbindungsbauteil primär in radialer Richtung aneinander. Das metallische Verbindungsbauteil kann zwar auch über die Stirnseite des ringförmigen Grundkörpers hinausragen und mit dem Grundkörper entlang dessen Stirnseite stoffschlüssig verbunden sein, Grundkörper und Verbindungsbauteil sind aber primär in radialer Richtung stoffschlüssig miteinander verbunden.
Der radial innere Abschnitt des metallischen Verbindungsbauteils wird durch ein metallisches Wellenanschlussbauteil gebildet, welches relativ zum Adapter radial nach innen absteht. Es kann - analog zum rohrförmigen Adapter - als separates Bauteil gefertigt und stoffschlüssig mit dem rohrförmigen Adapter verbunden sein oder alternativ ein Teilabschnitt eines monolithisch gefertigten Verbindungsbauteils sein. Bevorzugt sind Wellenanschlussbauteil und/oder rohrförmiger Adapter dünnwandig ausgeführt.
Unter kohlenstoffbasierten Materialien werden insbesondere Grafit oder Kohlenstofffaser-verstärkter Kohlenstoff (carbon fiber carbon composite, CFG) verstanden. Grafit zeichnet sich durch eine äußerst geringe Dichte aus und hat eine hohe spezifische Wärmekapazität, welche wichtig ist, damit die Röntgendrehanode im Betrieb hohe Wärmemengen aufnehmen und speichern kann. C FC- Werkstoffe bestehen aus Kohlenstofffasern, die in einer Matrix aus reinem Kohlenstoff eingebettet sind. Diese verleihen dem Werkstoff seine hohe mechanische Festigkeit. Die geringe Dichte dieser Werkstoffe erlaubt es, den Grundkörper der Röntgendrehanode voluminös auszuführen, sodass er über eine sehr hohe Wärmekapazität verfügt, während gleichzeitig die Masse der Röntgendrehanode vergleichsweise niedrig gehalten werden kann.
Unter ringförmig wird eine hohlzylinderartige Form eines Körpers verstanden, bei der die Wandstärke des Körpers in radialer Richtung größer ist als die Erstreckung (Höhe) in axialer Richtung. Unter rohrförmig wird eine hohlzylinderartige Form verstanden, bei der die Wandstärke des Körpers in radialer Richtung kleiner ist als die Höhe in axialer Richtung (bei variierender Wandstärke bzw. Höhe wird auf die größte Ausdehnung in radialer bzw. axialer Richtung Bezug genommen).
Die Geometrie des ringförmigen Grundkörpers bzw. des rohrförmigen Adapters ist nicht auf Formen mit geometrisch exakter Hohlzylinder-Geometrie beschränkt, d.h. die Erzeugenden der Mantelflächen müssen nicht zwingend eine Gerade sein, sie können insbesondere gekrümmt sein. Die Form ist auch nicht auf eine (kontinuierliche) Rotationssymmetrie (Symmetrie bezüglich einer Rotation um einen beliebigen Winkel) beschränkt, sondern kann beispielsweise auch nur eine n-zählige Rotationssymmetrie mit einer natürlichen Zahl n > 2 (Symmetrie bezüglich einer Rotation um 360 h) aufweisen. Im Folgenden wird unter Rotationssym metrie auf eine Symmetrie bezüglich einer Rotation um einen beliebigen Winkel Bezug genommen.
Der ringförmige Grundkörper kann beispielsweise auf der Brennbahnseite in jenem Bereich, wo der Brennbahnbelag angeordnet ist, radial nach außen hin abgeschrägt sein. Unter ring- bzw. rohrförmig wird insbesondere auch verstanden, wenn sich die Form im Radialschnitt (einer Ebene durch die axiale Richtung), beispielsweise die Dicke der Ring- bzw. Rohrwand und/oder die äußere Kontur, in axialer Richtung ändert, beispielsweise wenn es sich um ein konisches Rohr handelt. Unter rohrförmig wird insbesondere auch ein Rohr mitumfasst, in dessen Wand Kühllamellen integriert sind. Insbesondere wird unter rohrförmig auch ein Rohr verstanden, bei dem ein Abschnitt flanschartig hervorsteht, beispielsweise um damit den ringförmigen Formkörper an dessen Stirnseite zu stützen und eine zusätzliche Verbindungsmöglichkeit an der Stirnseite zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Röntgendrehanode unterscheidet sich konstruktiv somit deutlich sowohl von den eingangs erwähnten scheiben- bzw. tellerförmigen Röntgendrehanoden als auch von Konzepten aus der Patentliteratur, wie beispielsweise von der Drehanode in US20100027754 (Siemens), bei der ein ringförmiger Grundkörper aus Grafit - im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung - in axialer Richtung auf einem scheibenförmigen metallischen Verbindungsbauteil angebracht ist. Die vorliegende Röntgendrehanode unterscheidet sich auch wesentlich von der Röntgendrehanode in EP0016485 (Philips), bei der ein Grafitring um eine massive innenliegende Scheibe herum angeordnet ist und der rohrförmige Adapter fehlt.
Die erfindungsgemäße Röntgendrehanode hat eine Reihe von Vorteilen: Gegenüber herkömmlichen Metall- bzw. Verbunddrehanoden zeichnet sie sich durch eine deutlich geringere Masse aus. Die leichte Bauweise wird durch die Verwendung von kohlenstoffbasierten Materialien für den Grundkörper und durch die schlanke Konstruktion des metallischen Verbindungsbauteils erzielt. Zusätzlich hat die als Wärmespeicher dienende Komponente einen vorteilhaft hohen Massenanteil. Die ringförmige Gestaltung des kohlenstoffbasierten Grundkörpers führt zu einer optimierten Ausnutzung seines Wärmespeichervermögens und ermöglicht verhältnismäßig geringe Ausgleichstemperaturen zwischen den Elektronenstrahlschüssen bzw. geringe mittlere Zyklustemperaturen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Metall- bzw. Verbunddrehanoden besteht keine metallische, durch einen geringen Wärmedurchgangswiderstand gekennzeichnete Verbindung zwischen Brennbahnbelag und Verbindungsbauteil. Dadurch werden ausgeprägte T emperaturgradienten entlang der stoffschlüssigen Verbindungszone zwischen Grundkörper und Verbindungsbauteil vermieden und diese Verbindungszone somit thermomechanisch möglichst gleichmäßig beansprucht. Die kompakte Form gewährleistet zudem eine Erhöhung der niedrigsten Eigenfrequenz, womit neben der niedrigen Masse eine zweite wichtige Voraussetzung erfüllt wird, damit die Röntgendrehanode bei hohen Drehzahlen eingesetzt werden kann. Trotz der Verwendung eines kohlenstoffbasierten Grundkörpers kann auch bei hohen Drehzahlen eine geringe Verschiebung am Außenumfang und lediglich eine geringe, mit herkömmlichen Metall- bzw. Verbunddrehanoden vergleichbare Änderung des Brennbahnwinkels gewährleistet werden.
Im Folgenden werden vorteilhafte Weiterentwicklungen der Röntgendrehanode, beginnend mit Weiterentwicklungen des metallischen Verbindungsbauteils, vorgestellt. Viele der vorgestellten Maßnahmen tragen dazu bei, dass die Masse der Drehanode gering gehalten wird und trotzdem die mechanischen Spannungen beherrschbar bleiben.
In einer bevorzugten Variante verringert sich der Außenumfang des metallischen Adapters in axialer Richtung, insbesondere in Richtung zur Brennbahnseite hin, die Form des ringförmigen Grundkörpers ist entsprechend angepasst. Diese Verringerung in Richtung Brennbahnseite bewirkt im Betrieb der Röntgendrehanode insbesondere eine gleichmäßigere, im Optimalfall annähernd isotherme Temperaturverteilung entlang der Verbindungszone zwischen metallischen Adapter und Grundkörper. Verringert sich der Außenumfang des Adapters in Richtung Brennbahnseite, so sind Bereiche in der Verbindungszone zwischen Adapter und Grundkörper, die sich in axialer Richtung räumlich näher zum Brennbahnbelag befinden, in radialer Richtung weiter vom Brennbahnbelag entfernt. Auf diese Weise wird die unterschiedliche Distanz zwischen Brennbahnbelag und einzelnen Bereichen in der Verbindungszone Adapter/Grundkörper ausgeglichener, was sich positiv auf die T emperaturverteilung und damit verbunden thermisch induzierte Spannungen entlang der Verbindungszone auswirkt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das metallische Verbindungsbauteil rotationssymmetrisch, insbesondere ist der ringförmige Adapter rotationssymmetrisch.
Vorteilhafterweise hat der Adapter eine kegelstumpfförmige Grundform mit einem Kegelwinkel im Bereich zwischen 155° und 205°, insbesondere zwischen 155° und 180°, besonders bevorzugt zwischen 160° und 175°. Bereichsangaben für den Winkel schließen die jeweiligen Grenzwerte mit ein. Beim Kegelwinkel wird auf die Ausrichtung der Tangentialebene der Adapter- Mantelfläche relativ zur axialen Richtung Bezug genommen, die Kegelwinkel werden von der Brennbahnseite her gemessen: Ein Kegelstumpf mit Kegelwinkel 180° entspricht einem Hohlzylinder, ein Kegelstumpf mit einem Winkel im Bereich > 90° und < 180° ist in Richtung Brennbahnseite verjüngt, ein Kegelstumpf mit Wnkel > 180° und < 270° ist in die entgegengesetzte Richtung verjüngt, in diesem Fall vergrößert sich also der Außenumfang des metallischen Adapters in Richtung Brennbahnseite. Der Vorteil von kegelstumpfförmigen Adaptern ist, dass sich insbesondere für Kegelwinkel im Wnkelbereich zwischen 160° und 175° das wie oben näher ausgeführt vorteilhafte annähernd isotherme Temperaturprofil entlang der Verbindungszone Adapter/Grundkörper einstellen lässt und der Adapter dennoch vergleichsweise einfach und kostengünstig gefertigt werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform für den Adapter ist eine rotationssymmetrische Form, die auch eine Symmetrie bezüglich einer Ebene normal auf die axiale Richtung (Rotationsebene) aufweist. Belastungen auf das Lager werden zusätzlich minimiert. Ein Beispiel für eine derartige Form ist ein Adapter mit torusförmiger Grundform. Im Radialschnitt hat die Kontaktfläche des Adapters zum Grundkörper die Form einer nach außen gekrümmten, offenen Schale.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Höhe des Adapters und des ringförmigen Grundkörpers im Verbindungsbereich aufeinander abgestimmt sind, d.h. die Höhe des Adapters in axialer Richtung entspricht der Höhe des ringförmigen Grundkörpers in axialer Richtung im Verbindungsbereich.
Das metallische Wellenanschlussbauteil ist der radial innere Abschnitt des metallischen Verbindungsbauteils und kann wie bereits oben ausgeführt als separates Bauteil gefertigt sein, das anschließend radial innenseitig mit dem Adapter stoffschlüssig verbunden wird. Es kann sich dabei aber auch um einen Teilabschnitt eines monolithisch gefertigten Verbindungsbauteils handeln. Falls nicht explizit anders erwähnt, sollen die folgenden Überlegungen beide Varianten mit einschließen.
Das metallische Wellenanschlussbauteil ist an seinem radial äußeren Umfang mit der radialen Innenfläche des rohrförmigen Adapters verbunden. Der radial innere Abschnitt des Wellenanschlussbauteils dient der direkten oder mittelbaren Verbindung mit der Antriebswelle und kann beispielsweise Öffnungen für Schraubverbindungen aufweisen, mit denen die Röntgendrehanode auf der Antriebswelle fixiert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Wellenanschlussbauteils hat eine kreisringscheibenförmige Grundform. Bevorzugt hat das Wellenanschlussbauteil die Form einer exakten Kreisringscheibe. Die Scheibe ist vorteilhafterweise in der Rotationsebene angeordnet. Die Scheibe muss nicht flach sein, sondern kann auch Abstufungen aufweisen (im Radialschnitt ist die Form dann nicht geradlinig, sondern kann ein oder mehrere Stufen haben). Anstatt einer Scheibe kann das Wellenanschlussbauteil auch mit kegelstumpfförmiger Grundform ausgeführt sein, bevorzugt ist der Kegelwinkel dabei in einem Bereich zwischen 90° und 100° (gemessen von der axialen Richtung) oder in einem Bereich zwischen 260° und 270°. In diesem Fall ist das Wellenanschlussbauteil im Radialschnitt gegenüber der Rotationsebene leicht gekippt. Ein Kegelstumpf mit 90° bzw. 270°C entspricht einer Scheibe, die in der Rotationsebene liegt. Ein Kegelstumpf mit einem Winkel im Bereich > 90° und < 180° ist in Richtung Brennbahnseite verjüngt, ein Kegelstumpf mit einem Winkel im Bereich > 180° und < 270° öffnet sich in Richtung Brennbahnseite.
Bevorzugt können das Wellenanschlussbauteil und/oder der Adapter Strukturierungen wie Entlastungsschlitze oder Versteifungen aufweisen, die die Rotationssymmetrie unterbrechen. Entlastungsschlitze im Wellenanschlussbauteil helfen einerseits, Masse zu sparen und können andererseits hilfreich sein, die im Betrieb auftretenden thermomechanischen Spannungen besser beherrschbar zu machen.
Bevorzugt befindet sich der Schwerpunkt des Wellenanschlussbauteils, besonders bevorzugt auch der radial innere Abschnitt des Wellenanschlussbauteils, an dem die Antriebswelle befestigt wird, in axialer Richtung innerhalb der Erstreckung des Adapters in axialer Richtung. In anderen Worten liegt der Flächenschwerpunkt bzw. der radial innere Abschnitt des Wellenanschlussbauteils in axialer Richtung nicht außerhalb der Erstreckung des Adapters. Durch diese kompakte Konstruktion werden Lagerbelastungen reduziert und die niedrigste Eigenfrequenz erhöht.
Bevorzugt ist das Wellenanschlussbauteil im Wesentlichen mittig mit der radialen Innenfläche des Adapters verbunden, insbesondere ist das Wellenanschlussbauteil mit der radialen Innenfläche des Adapters in einem Bereich von 40 bis 60 % der Höhe des Adapters in axialer Richtung verbunden. Vorteilhafterweise ist der Übergangsbereich, in dem Wellenanschlussbauteil und Adapter aufeinander stoßen, abgerundet und weist keine scharfkantigen Übergänge auf.
Sind Wellenanschlussbauteil und Adapter getrennt gefertigt, so erfolgt die stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen bevorzugt mittels einer Lötverbindung. Als Lötmaterial kommt insbesondere Zirkon in Betracht.
Die vorliegende Röntgendrehanode zeichnet sich insgesamt durch eine schlanke Konstruktion des metallischen Verbindungsbauteils aus, die trotz der dünnwandigen Bauteile eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist. Der Adapter weist bevorzugt eine Dicke in radialer Richtung kleiner als 5 mm, mindestens aber größer als 1,5 mm auf. Die Dicke des Wellenanschlussbauteils in axialer Richtung ist bevorzugt kleiner als 10 mm, insbesondere kleiner als 5 mm, mindestens aber größer als 1,5 mm. Bevorzugt beträgt die maximale Dicke des Wellenanschlussbauteils in axialer Richtung kleiner als 20%, insbesondere kleiner als 15% der Höhe des Adapters in axialer Richtung.
Geeignete Materialien für das metallische Verbindungsbauteil in Hinblick auf thermische Dehnungen sind insbesondere Molybdän und Molybdän-basierte Legierungen (z.B. TZM, MHC), Wolfram oder Wolfram-basierte Legierungen sowie eine Legierung auf Basis von Kupfer. Unter einer Molybdän-basierten, Wolfram-basierten bzw. Kupfer-basierten Legierung wird auf eine Legierung Bezug genommen, die zu mindestens 50 Gew.% Molybdän, Wolfram bzw. Kupfer aufweist. Unter TZM wird auf eine Molybdän-Legierung mit einem Titan- Anteil von 0,5 Gew.%, einem Zirkonium-Anteil von 0,08 Gew.%, einen Kohlenstoff-Anteil von 0,01-0,04 Gew.% und den verbleibenden Anteil (von Verunreinigungen abgesehen) Molybdän Bezug genommen. Als MHC wird in diesem Zusammenhang eine Molybdän-Legierung verstanden, die einen Hafnium-Anteil von 1,0 bis 1,3 Gew.%, einen Kohlenstoffanteil von 0,05 bis 0,12 Gew.%, einen Sauerstoffanteil von weniger als 0,06 Gew.% und den verbleibenden Anteil (von Verunreinigungen abgesehen) Molybdän aufweist. Das metallische Verbindungsbauteil kann auch einen Wolfram-Kupfer Verbundwerkstoff, einen Molybdän-Kupfer-Verbundwerkstoff, einen Kupfer- Verbundwerkstoff oder eine teilchenverstärkte Legierung wie eine teilchenverstärkte Kupfer-Legierung aufweisen. Allen diesen Werkstoffen ist gemeinsam, dass sie hochtemperaturbeständig sind und einen vergleichsweise geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten haben. Das metallische Verbindungsbauteil kann insbesondere auch aus verschiedenen Werkstoffen aufgebaut sein, d.h. Wellenanschlussbauteil und Adapter können aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Bevorzugt weist das metallische Verbindungsbauteil ein Zwischenbauteil oder eine Zwischenschicht aus einem Werkstoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus einem Keramikwerkstoff wie beispielsweise ZrÜ2 auf. Dieses Zwischenbauteil bzw. Zwischenschicht wirkt als Wärmebremse und soll den Wärmestrom in Richtung des Drehanodenlagers bestmöglich unterdrücken. Bevorzugt ist das als Wärmebremse dienende Zwischenbauteil bzw. die Zwischenschicht im radial innenseitigen Bereich des Wellenanschlussbauteils angeordnet. Die Wärmebremse kann beispielsweise durch eine radial innenseitig auf das Wellenanschlussbauteil aufgebrachte Beschichtung oder durch eine auf das Wellenanschlussbauteil radial innenseitig angeordnete kreisringförmige Scheibe realisiert werden. Durch die verbesserte thermische Isolierung des Drehanodenlagers ist keine wie bei bekannten Hochleistungsröntgendrehanoden erforderliche Montage auf einen Stiel notwendig. Es wird also eine kompakte Röntgendrehanode mit insgesamt niedriger Bauhöhe erzielt. Das metallische Verbindungsbauteil ist über den rohrförmigen Adapter an seiner radialen Außenfläche mit dem ringförmigen Grundkörper stoffschlüssig verbunden. Bevorzugt erfolgt die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem rohrförmigen Adapter und dem ringförmigen Grundkörper mittels einer Lötverbindung. Als Lötmaterial wird bevorzugt Zirkon verwendet. Vorteilhafterweise ist der rohrförmige Adapter direkt mit dem ringförmigen Grundkörper verlötet. Die stoffschlüssige Verbindung kann optional durch formschlüssige Elemente wie eine Nut-Federverbindung verstärkt werden.
Wie bereits weiter oben ausgeführt hat der ringförmige Grundkörper eine mechanisch tragende Funktion für den Brennbahnbelag und übernimmt thermische Funktionen (Wärmeaufnahme und Speicherung). Er besteht aus kohlenstoffbasiertem Material wie insbesondere Grafit. Der Brennbahnbelag ist bevorzugt aus mindestens einem der folgenden Materialien gebildet: i. Wolfram, ii. eine Wolfram-basierte Legierung, und/oder iii. ein Karbid, Nitrid, Karbonitrid aus mindestens einem der
Übergangsmetalle Hafnium, Tantal oder Wolfram. Insbesondere wird der Brennbahnbelag aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung gebildet, die einen Rhenium-Anteil von bis zu 26 Gew.% aufweist, bevorzugt liegt der Rhenium-Anteil dabei in einem Bereich zwischen 5 und 15 Gew.%. Beim Material des Brennbahnbelags kann es sich ferner auch um ein Mischkarbid von zwei oder mehreren dieser Übergangsmetalle Hafnium, Tantal oder Wolfram handeln, es kann sich auch um ein Misch-Karbonitrid von zwei oder mehreren dieser Übergangsmetalle handeln. Üblicherweise liegt die Dicke des Brennbahnbelags im Bereich von 0,05 bis 2 mm. Der Brennbahnbelag kann mittels bekannter Technologien wie beispielsweise durch Auflöten des Brennbahnbelags auf den Grundkörper oder durch bekannte Beschichtungsverfahren wie thermisches Spritzen, Plasmaspritzen, physikalische Gasphasenabscheidung (PVD, physical vapour deposition) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical vapour deposition) auf den Grundkörper aufgebracht werden. Bevorzugt ist zwischen Brennbahnbelag und Grundkörper mindestens eine Zwischenschicht, die metallisch oder keramisch sein kann, angeordnet. Diese Zwischenschicht unterstützt die Anbindung und Haftung des Brennbahnbelags an den Grundkörper und kann beispielsweise auch als Barriereschicht zur Unterdrückung von unerwünschter Kohlenstoffdiffusion in den Brennbahnbelag ausgeführt sein. Vorteilhafterweise hilft die mindestens eine Zwischenschicht auch, die Fortpflanzung von Rissen, die im Brennbahnbelag beim Betrieb der Röntgendrehanode durch die Wechselwirkung mit hochenergetischen Elektronen entstehen, in Richtung Grundkörper zu unterdrücken. Im Fall einer metallischen Zwischenschicht ist diese bevorzugt aus Rhenium, Molybdän, Tantal, Niob, Zirkonium, Titan bzw. Verbindungen oder Legierungen dieser Metalle bzw. von Kombinationen dieser Metalle gebildet, keramische Zwischenschichten sind bevorzugt aus Karbiden wie Siliziumkarbid oder Nitriden wie Bornitrid oder Titannitrid gebildet. Anstatt einer können auch mehrere Zwischenschichten übereinander angeordnet sein und einen Zwischenschichtstapel bilden. Im Zwischenschichtstapel können sich insbesondere metallische und keramische Zwischenschichten abwechseln.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Es zeigen in nicht maßstabsgetreuer Darstellung:
Fig. 1a : eine perspektivische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsvariante der Röntgendrehanode;
Fig. 1b: eine Draufsicht auf die Röntgendrehanode von Fig. 1a;
Fig. 1c: eine Radialschnittdarstellung der Röntgendrehanode von Fig. 1a entlang der Schnittebene A-A;
Fig. 1d: ein Temperaturprofil der Röntgendrehanode von Fig. 1a in perspektivischer Schnittdarstellung;
Fig. 2a : eine perspektivische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante der Röntgendrehanode;
Fig. 2b: eine Draufsicht auf die Röntgendrehanode von Fig. 2a;
Fig. 2c: eine Radialschnittdarstellung der Röntgendrehanode von Fig. 2a entlang der Schnittebene A-A;
Fig. 3a : eine perspektivische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsvariante der Röntgendrehanode; Fig. 3b: eine Draufsicht auf die Röntgendrehanode von Fig. 3a und Fig. 3c: eine Radialschnittdarstellung der Röntgendrehanode von Fig. 3a entlang der Schnittebene A-A.
Fig. 1a zeigt eine schematische perspektivische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsvariante der Röntgendrehanode. Die Röntgendrehanode 10 ist bezüglich der Rotationsachse R rotationssymmetrisch aufgebaut und besteht aus einem ringförmigen Grundkörper 11 aus Grafit, auf dessen abgeschrägter Stirnseite ein ringförmiger Brennbahnbelag 12 angeordnet ist. Grafit hat eine vergleichsweise geringe Dichte und zeichnet sich durch eine vergleichsweise hohe spezifische Wärmekapazität aus. Im Betrieb werden auf den Brennbahnbelag 12 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung hochenergetische Elektronen hinbeschleunigt. Der Brennbahnbelag 12 besteht aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung mit einem Rhenium-Anteil von circa 10 Gew.% und ist als Spritzschicht auf den ringförmigen Grundkörper 11 aufgebracht. Optional können zur besseren Haftung und als Diffusionsbarriere gegenüber Kohlenstoff-Diffusion zwischen Grundkörper 11 und Brennbahnbelag 12 eine oder mehrere Zwischenschicht(en) insbesondere aus Rhenium angeordnet sein (in Fig. 1a nicht dargestellt). Der ringförmige Grundkörper 11 ist über das radial innen gelegene metallische Verbindungsbauteil 13 mit einer Antriebswelle (nicht dargestellt) verbindbar. Die Öffnungen 16 dienen dabei zur Aufnahme von Schraubverbindungen zum Befestigen auf der Antriebswelle. Das metallische Verbindungsbauteil 13 setzt sich aus dem rohrförmigen Adapter 14 und dem kreisringscheibenförmigen Wellenanschlussbauteil 15 zusammen und befindet sich sowohl in radialer Richtung als auch axialer Richtung vollständig innerhalb der vom Grundkörper 11 aufgespannten Kontur. Der rohrförmige Adapter 14 hat eine kegelstumpfförmige Grundform mit einem Kegelwinkel 17 von circa 160°, sein Außendurchmesser verringert sich in Richtung Brennbahnseite. Der rohrförmige Adapter 14 ist an seiner radialen Außenfläche mit der radialen Innenfläche des ringförmigen Grundkörpers 11 mittels einer Lötverbindung stoffschlüssig verbunden. Die stoffschlüssige Verbindungszone zwischen ringförmigen Grundkörper 11 und rohrförmigen Adapter 14 erstreckt sich dabei über die gesamte radiale Innenfläche des ringförmigen Grundkörpers 11. Durch die Verjüngung des rohrförmigen Adapters in Richtung Brennbahnseite wird eine gleichmäßigere, annähernd isotherme Temperaturverteilung entlang der Verbindungszone zwischen rohrförmigen Adapter 14 und Grundkörper 11 erzielt. Der Temperaturverlauf ist Fig. 1d zu entnehmen, in der das mittels Computersimulation ermittelte Temperaturprofil dargestellt ist. Hellere Bereiche entsprechen höheren Temperaturen, während die Temperatur mit dunkler werdendem Grauton abnimmt. Der Temperaturverlauf entlang der Verbindungszone zwischen rohrförmigen Adapter 14 und dem Grundkörper 11 ist für typische Betriebsparameter annähernd isotherm. Das Wellenanschlussbauteil 15 trifft mittig in einem leicht abgerundeten Übergangsbereich auf die radiale Innenfläche des rohrförmigen Adapters 14. Das metallische Verbindungsbauteil 13 (sowohl rohrförmiger Adapter 14 als auch das kreisringscheibenförmige Wellenanschlussbauteil 15) sind dünnwandig ausgeführt und in Hinblick auf möglichst geringe thermische Dehnungen aus einem Refraktärmetall wie Molybdän oder Wolfram oder einer auf diesen Metallen basierenden Legierung (z.B. TZM, MHC) gefertigt.
Die in den Fig. 2a bis Fig. 2c dargestellte Röntgendrehanode 10‘ hat einen etwas breiteren Brennbahnbelag 12‘ und unterscheidet sich von der Ausführungsform in Fig. 1a bis Fig. 1c hinsichtlich der Form des ringförmigen Grundkörpers 1T (stärker abgerundete Ecken). Im Vergleich zur ersten Ausführungsform hat der ringförmige Adapter 14‘ einen etwas größeren Kegel Winkel 17‘ (circa 170°) und das Wellenanschlussbauteil 15‘ greift nicht mittig an den Adapter 14‘, sondern ist in Richtung Brennbahnseite versetzt angeordnet.
Die in den Fig. 3a bis Fig. 3c dargestellte Röntgendrehanode 10“ weist einen Adapter 14“ mit torusförmiger Grundform auf, dessen Kontaktfläche zum Grundkörper 11“ konkav nach außen geöffnet ist. Insgesamt ist der Adapter 14“ analog zu den beiden vorherigen Ausführungsformen in Richtung Brennbahnseite verjüngt.
Alle drei Röntgendrehanoden 10,10“, 10“ haben eine kompakte Form mit geringer Masse und zeichnen sich durch gute thermomechanische Eigenschaften aus. Sie haben einen vorteilhaft hohen Massenanteil des als Wärmespeicher dienenden Grundkörpers. Es liegt zudem keine metallische Verbindung zwischen Brennbahnbelag und dem radial innen gelegenen Bereich der Röntgendrehanode vor.

Claims

Ansprüche
Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung aufweisend einen ringförmigen Grundkörper (11,11’,11”) aus kohlenstoffbasiertem Material, welcher eine - bezogen auf eine Drehachse (R) der Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) - radial innenseitige Öffnung mit einer radialen Innenfläche aufweist, einen ringförmigen Brennbahnbelag (12, 12’, 12”), der auf einer Brennbahnseite des Grundkörpers (11, 11’, 11”) angeordnet ist, und ein metallisches, relativ zum Grundkörper radial innenseitig angeordnetes Verbindungsbauteil (13, 13’, 13”), welches der Verbindung des Grundkörpers (11, 11’, 11”) mit einer Antriebswelle dient, wobei der radial äußere Abschnitt des Verbindungsbauteils (13, 13’, 13”) durch einen rohrförmigen metallischen Adapter (14, 14’, 14”) gebildet ist, die radiale Außenfläche des Adapters (14, 14’, 14”) zumindest teilweise mit zumindest einem Abschnitt der radialen Innenfläche des Grundkörpers (11, 11’, 11”) flächig und stoffschlüssig verbunden ist und sich die stoffschlüssige Verbindungszone zwischen Grundkörper (11, 11’, 11”) und Adapter (14, 14’, 14”) zu zumindest 75 Flächenprozent entlang der radialen Innenfläche des Grundkörpers (11, 11’, 11”) erstreckt.
Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Außenumfang des Adapters (14, 14’, 14”) in axialer Richtung verringert.
Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (14, 14’, 14”) rotationssymmetrisch ist.
Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (14, 14’, 14”) eine kegelstumpfförmige Grundform aufweist, wobei der Kegelwinkel zwischen 155° und 205° beträgt.
5. Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Abschnitt des metallischen Verbindungsbauteils (13, 13’, 13”) durch ein Wellenanschlussbauteil (15, 15’, 15”) gebildet wird, wobei das Wellenanschlussbauteil (15, 15’, 15”) an seinem radial äußeren Umfang mit der radialen Innenfläche des rohrförmigen Adapters (14, 14’, 14”) verbunden ist und der radial innere Abschnitt des Wellenanschlussbauteils (15, 15’, 15”) der Verbindung mit einer Antriebswelle dient.
6. Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenanschlussbauteil (15, 15’, 15”) eine kreisringscheibenförmige Grundform aufweist und in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung angeordnet ist.
7. Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenanschlussbauteil (15, 15’, 15”) eine kegelstumpfförmige Grundform aufweist, wobei der Kegelwinkel zwischen 90° und 100° oder zwischen 260° und 270° beträgt.
8. Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenanschlussbauteil (15, 15’, 15”) mit der radialen Innenfläche des Adapters (14, 14’, 14”) in einem Bereich von 40 bis 60 % der Höhe des Adapters in axialer Richtung verbunden ist.
9. Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenanschlussbauteil (15, 15’, 15”) dünnwandig mit einer Dicke in axialer Richtung kleiner als 10 mm ausgeführt ist.
10. Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Dicke des Wellenanschlussbauteils (15, 15’, 15”) in axialer Richtung kleiner als 20 % der Höhe des Adapters in axialer Richtung beträgt.
11. Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (14, 14’, 14”) dünnwandig mit einer Dicke in radialer Richtung kleiner als 5 mm ausgeführt ist.
12. Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (14, 14’, 14”) und der ringförmige Grundkörper (11, 11’, 11”) miteinander verlötet sind.
13. Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Verbindungsbauteil (13, 13’, 13”) als Wärmebremse ein Zwischenbauteil oder eine Zwischenschicht aus einem Werkstoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweist.
14. Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische
Verbindungsbauteil (13, 13’, 13”) zumindest ein Metall der Gruppe Wolfram, Molybdän oder Kupfer, eine Legierung auf Basis von Wolfram, Molybdän oder Kupfer, einen Wolfram-Kupfer-, Molybdän-Kupfer- oder einen Kupfer-Verbundwerkstoff aufweist.
15. Röntgendrehanode (10, 10’, 10”) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Grundkörper (11, 11’, 11”) an der Brennbahnseite im radial äußeren Bereich, wo sich der Brennbahnbelag (12, 12’, 12”) befindet, abgeschrägt ist.
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