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Die Erfindung betrifft ein Brennbahnmodul und eine Drehanode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, Verfahren zur Herstellung eines Brennbahnmoduls und einer Drehanode sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung.
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Die Erzeugung von Röntgenstrahlung kann durch Erzeugung von Bremsstrahlung mittels einer Drehanode erfolgen. Hierbei wird im Vakuum ein Elektronenstrahl auf eine Brennbahn der Drehanode gerichtet, die als Röntgentarget dient. Die Elektronen werden abgebremst und zu einem geringen Anteil in Röntgenstrahlung und zu einem weitaus größeren Anteil Wärmestrahlung umgewandelt.
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Eine Drehanode ist ein insbesondere scheibenförmiges Bauteil mit einer geeigneten Oberfläche zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Um die Erwärmung eines Punktes der Oberfläche zu begrenzen und die Wärmelast zu verteilen, wird die Drehanode gedreht. So kann ein thermisches Versagen aufgrund von Überhitzung, beispielsweise durch Schmelzen oder Verdampfen, verhindert werden.
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Um hohe Strahlleistungen von beispielsweise mehr als 100 kW bis hin zu 1,5 MW zu erreichen, beispielsweise im Falle von Ultrahochdosisanwendungen wie etwa bei Röntgenmikrostrahlen, sind hohe Drehgeschwindigkeiten von mindestens 200 m/s, insbesondere mehr als 400 m/s wünschenswert. Aufgrund der Einschränkungen der verwendeten Materialien ist dies bislang nicht möglich.
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Die oben genannten Merkmale und Definitionen können beliebig mit den unten angegebenen Aspekten und Ausgestaltungen der Erfindung kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Bisherige Drehanoden umfassen Wolfram-Rhenium-Legierungen in der Brennbahn und eine Trägerstruktur auf Molybdän-Basis oder auf Kohlenstoff-Basis, etwa mit Graphit, das mit Kohlenfasern verstärkt sein kann. Molybdän-basierte Drehanoden weisen eine hohe Dichte von mehr als 10 g/cm3 auf, was die Drehzahl begrenzt. Durch die mechanische Belastung bei hohen Drehzahlen würde die Festigkeit überschritten, sodass die Drehanode versagen würde.
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Trägerstrukturen aus Kohlenstoff haben nur eine sehr geringe Festigkeit von ca. 60 MPa, und deutlich unter 100 MPa. Drehanoden aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff haben Schwächen in der interlaminaren Scherfestigkeit, die kleiner als 5 MPa liegt. Keramik wie z. B. SiC ist als Material nicht verwendbar, da die maximale Festigkeit statistisch verteilt ist und ein sicherer Betrieb nur mit einer sehr geringen Festigkeit gewährleistet werden könnte.
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Druckschrift
EP 2 188 827 A2 offenbart einen Hybridentwurf für eine Anodenplattenstruktur zur Konfiguration einer Hochleistungsröntgenröhre nach Art einer rotierenden Anode, bei der ein anisotropes Material als Rahmenmarerial verwendet wird.
EP 3 472 850 A2 betrifft Mikrostrahltherapie, die ein Anwendungsgebiet für erfindungsgemäße Drehanoden darstellt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein weiterentwickeltes Brennbahnmodul, eine weiterentwickelte Drehanode sowie zugehörige Herstellungsverfahren und ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlen zur Verfügung zu stellen. Insbesondere sollen höhere Strahlleistungen ermöglicht werden.
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Zur Lösung der Aufgabe dienen ein Brennbahnmodul gemäß Anspruch 1 sowie eine Drehanode, ein Verfahren zur Herstellung eines Brennbahnmoduls, ein Verfahren zur Herstellung einer Drehanode sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zur Lösung der Aufgabe dient ein Brennbahnmodul zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Das Brennbahnmodul umfasst eine Brennbahn zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, insbesondere bei Beschuss mit Elektronen und/oder durch Abbremsen von Elektronen. Insbesondere umfasst das Brennbahnmodul zudem eine Basisschicht zum Tragen der Brennbahn. Insbesondere umfasst die Basisschicht ein metallisches Material und/oder ein Material mit einer Dichte von weniger als 7,85 g/cm3.
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Es hat sich gezeigt, dass eine Basisschicht mit einem metallischen Material mit einer Dichte von weniger als 7,85 g/cm3 besonders gut geeignet ist, eine feste Anbindung der Brennbahn an einen Drehanodengrundkörper insbesondere auch bei hohen Temperaturen zu ermöglichen. Die niedrige Dichte verringert zudem die rotierende Masse und damit die auftretenden Kräfte. Eigenspannungen werden reduziert. Auf diese Weise können besonders hohe Drehzahlen erreicht werden, die wiederum hohe Strahlleistungen ermöglichen. So können Strahlleistungen über Zeiträume erreicht werden, die höher sind als bisher bekannt.
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Die Basisschicht dient dazu, die Brennbahn mittelbar oder unmittelbar zu tragen (halten). Unmittelbar meint, dass Brennbahn und Basisschicht einander direkt kontaktieren und insbesondere direkt miteinander verbunden sind. Die Basisschicht kontaktiert dabei die Brennbahn zumindest punktuell, bevorzugt flächig. Hierbei sind keine weiteren Zwischenschichten vorhanden. Mittelbar meint, dass zwischen der Brennbahn und der Basisschicht eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet sind.
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Die Basisschicht umfasst insbesondere ein metallisches Material. Ein metallisches Material ist ein Material, welches metallische Eigenschaften aufweist. Das metallische Material kann ein Metall und/oder eine Legierung umfassen oder sein. Insbesondere wird ein isotropes Material verwendet. Insbesondere wird kein Verbundmaterial verwendet. So kann ein einfacher Aufbau erreicht werden. Insbesondere wird kein keramisches Material verwendet.
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Brennbahn und Basisschicht sind derart miteinander verbunden, dass das Brennbahnmodul mit hoher Geschwindigkeit rotiert werden kann, beispielsweise mit mindestens 200 Hz, und den dabei auftretenden Fliehkräften widerstehen kann.
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Insbesondere ist die Basisschicht dazu eingerichtet, mit ihrer der Brennbahn abgewandten Seite an einen Drehanodengrundkörper angebunden zu werden. Es hat sich gezeigt, dass die Basisschicht mit den erfindungsgemäßen Eigenschaften eine besonders feste Anbindung an den Drehanodengrundkörper erlaubt.
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Eine Brennbahn ist aus einem Material aufgebaut, welches bei Beschuss mit Elektronen Röntgenstrahlung erzeugen kann. Dies geschieht typischerweise durch Abbremsen von Elektronen aus einem Elektronenstrahl, mit dem die Brennbahn beschossen wird.
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Die Dicke der Brennbahn ist bevorzugt geringer als die Dicke der Basisschicht, beispielsweise um mindestens den Faktor 5. Die Brennbahn hat beispielsweise eine Dicke von mindestens 0,1 mm und/oder höchstens 2 mm, insbesondere höchstens 1 mm. Die Basisschicht hat beispielsweise eine Dicke von mindestens 5 mm und/oder höchstens 30 mm.
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Die Brennbahn umfasst bevorzugt Wolfram, beispielsweise eine Wolfram enthaltende Legierung, bevorzugt eine Wolframlegierung. Im Falle einer Wolframlegierung ist der Hauptbestandteil der Legierung Wolfram. Alternativ oder ergänzend kann die Brennbahn ein anderes Element aus der 6. Nebengruppe des Periodensystems, insbesondere mit einer hohen bzw. höheren Ordnungszahl als Wolfram, umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Brennbahn Rhenium umfassen oder daraus hergestellt sein. Beispielsweise ist eine Wolfram-Rhenium-Legierung möglich. Auf diese Weise kann die Röntgenausbeute maximiert werden.
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Ein Brennbahnmodul ist ein Modul, welches, insbesondere zusammen mit anderen typischerweise ähnlichen oder baugleichen Brennbahnmodulen eine Brennbahn einer Drehanode ausbilden kann. Die Brennbahn ist typischerweise aus mehreren Modulen zusammengesetzt. Die Brennbahn einer Drehanode ist typischerweise umlaufend, so dass in jeder Winkelposition Röntgenstrahlung erzeugt werden kann. Dennoch kann es Aussparungen zwischen den einzelnen Brennbahnmodulen geben, wie weiter unten ausgeführt.
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Insbesondere ist das Brennbahnmodul so ausgestaltet, dass die Brennbahn und/oder die Basisschicht einer Temperatur von mindestens 800 °C, bevorzugt mindestens 900 °C, insbesondere mindestens 1000 °C widerstehen kann. Die Temperatur ist insbesondere kleiner als die Rekristallisationstemperatur von Molybdän, also etwa 1100 °C oder, im Falle einer Legierung mit Hafnium, 1150 °C.
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In einer Ausgestaltung beträgt die Dichte des metallischen Material weniger als 5,0 g/cm3. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise besonders hohe Drehzahlen erreichbar sind.
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In einer Ausgestaltung weist das metallische Material bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von mindestens 600 MP auf. In einer Ausgestaltung weist das metallische Material bei 1000 °C eine Zugfestigkeit von mindestens 100 MP auf. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise besonders hohe Drehzahlen erreichbar sind.
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In einer Ausgestaltung umfasst das metallische Material Titan. Das metallische Material kann Titan oder eine Titanlegierung sein. Im Falle einer Titanlegierung ist der Hauptbestandteil der Legierung Titan. Beispielsweise kann als Legierungspartner Chrom, Aluminium, Vanadium, Molybdän, Zirkonium, Nickel, Eisen, Palladium und/oder Zinn verwendet werden.
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Titan und seine Legierungen haben sich als besonders zweckdienlich zur Lösung der Aufgabe erwiesen. Titan hat eine geringe Dichte von etwa 4,5 g/cm3 und eine hohe Festigkeit, auch bei erhöhten Temperaturen. Beispielsweise kann die Basisschicht aus Titan Grade 5 und/oder einer Titanlegierung mit Vanadium und Aluminium bestehen.
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In einer einfachen Ausführungsform ist die Brennbahn direkt auf der Basisschicht angeordnet.
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In einer Ausgestaltung ist zwischen der Brennbahn und der Basisschicht eine Zwischenschicht zum Ableiten und/oder Speichern von Wärme angeordnet.
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Die Zwischenschicht sorgt dafür, dass die punktuell bzw. linienförmig in die Brennbahn eingebrachte hohe Temperatur abgeleitet und/oder gespeichert wird. So kann die Temperatur der Brennbahn verringert werden. Auf diese Weise können höhere Strahlleistungen erreicht werden.
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Insbesondere kontaktiert die Zwischenschicht die Brennbahn zumindest punktuell, bevorzugt flächig. Insbesondere sind die Zwischenschicht und die Brennbahn stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Insbesondere kontaktiert die Zwischenschicht die Basisschicht zumindest punktuell, bevorzugt flächig. Insbesondere sind die Zwischenschicht und die Basisschicht stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Die Dicke der Brennbahn ist bevorzugt geringer als die Dicke der Zwischenschicht, beispielsweise um mindestens den Faktor 5. Die Zwischenschicht hat beispielsweise eine Dicke von mindestens 1 mm, beispielsweise mindestens 5 mm und/oder höchstens 50 mm, beispielsweise höchsten 20 mm. So kann die Temperatur der Brennbahn besonders effektiv verringert werden.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Zwischenschicht Molybdän. Die Zwischenschicht kann aus Molybdän hergestellt sein. Die Zwischenschicht kann eine Molybdän enthaltende Legierung, insbesondere eine Molybdänlegierung umfassen oder daraus hergestellt sein. Im Falle einer Molybdänlegierung ist der Hauptbestandteil der Legierung Molybdän. Molybdän und seine Legierungen sind hochtemperaturbeständig und haben eine hohe Festigkeit sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Auf diese Weise kann anfallende Wärme gut abgeleitet werden. Zudem kann Molybdän gut mit Wolfram sowie mit Titan verbunden werden.
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Als besonders vorteilhaft hat sich TZM (Titan-Zirkonium-Molybdän) erwiesen, was eine besonders hohe Festigkeit, eine besonders hohe Rekristallisationstemperatur und eine hohe Formstabilität auch bei hohen Temperaturen aufweist.
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Alternativ oder ergänzend kann auch Rhenium oder eine Rhenium enthaltende Legierung verwendet werden, welches ebenfalls ideale Eigenschaften für diese Anwendung aufweist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Drehanode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, welche mindestens ein erfindungsgemäßes Brennbahnmodul umfasst. Alle Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile des oben beschriebenen Brennbahnmoduls können ebenso für die Drehanode gelten und umgekehrt.
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Die Brennbahn der Drehanode kann in Bezug zur Rotationsachse der Drehanode an der Stirnseite und/oder an der Mantelfläche der Drehanode angeordnet sein. Die Stirnseite ist eine Fläche, deren Flächennormale in axialer Richtung, also entlang der Richtung der Drehachse, insbesondere parallel zur Drehachse, ausgerichtet ist. Die Mantelfläche ist eine Fläche, deren Flächennormale in radialer Richtung ausgerichtet ist. Insbesondere ist die Brennbahn, ggf. abgesehen von Aussparungen zwischen einzelnen Brennbahnmodulen, durchgängig ausgebildet.
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Die Drehanode weist insbesondere eine rotationssymmetrische Grundform auf. Es können an oder in dieser Grundform Anbauten, zusätzliche Teile, Aussparungen, Löcher, etc. vorhanden sein, sodass die tatsächliche Form von der rotationssymmetrischen Form abweichen kann. Es können auch anderweitige Abweichungen von der rotationssymmetrischen Form vorliegen, wie z. B. Verdickungen, Abflachungen, etc. Die Drehanode ist insbesondere zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch geformt.
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Rotationssymmetrisch meint, dass eine Drehung um jeden beliebigen Winkel die Drehanode auf sich selbst abbildet.
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In einer Ausführungsform ist die Basisschicht des Brennbahnmoduls Teil eines Drehanodengrundkörpers, also eines Grundkörpers der Drehanode. Mit anderen Worten ist die Brennbahn oder die Zwischenschicht und die Brennbahn einerseits direkt mit dem Drehanodengrundkörper andererseits verbunden, beispielsweise auf diesen aufgetragen. In diesem Fall wird keine weitere Trägerstruktur benötigt.
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In einer Ausgestaltung weist die Drehanode eine Trägerstruktur auf. Die Trägerstruktur kann Titan enthalten. Die Basisschicht kann unmittelbar oder mittelbar mit der Trägerstruktur verbunden sein.
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Die Trägerstruktur ist eine Struktur, die zum Tragen des Brennbahnmoduls eingerichtet ist. Dabei ist die Trägerstruktur insbesondere so beschaffen, dass sie den auftretenden Fliehkräften des Brennbahnmoduls widersteht. Die Trägerstruktur kann Titan oder eine Titan enthaltende Legierung umfassen, beispielsweise eine Titanlegierung, oder daraus hergestellt sein. Als besonders vorteilhaft hat sich Titan Grade 5 erwiesen.
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Die Drehanode kann einen Drehanodengrundkörper aufweisen. Ein Drehanodengrundkörper ist ein Grundkörper der Drehanode, an den weitere Komponenten der Drehanode wie beispielsweise ein oder mehrere Brennbahnmodule und/oder eine Kragenstruktur zur Verbindung mit einer Drehachse angeschlossen werden können. Der Drehanodengrundkörper kann scheibenförmig sein. Der Drehanodengrundkörper weist insbesondere eine rotationssymmetrische Grundform auf oder ist zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch. Ein Teil des Drehanodengrundkörpers oder der gesamte Drehanodengrundkörper kann als Trägerstruktur ausgebildet sein.
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Der Drehanodengrundkörper kann eine radiale Erstreckung von wenigstens 50 mm und/oder höchstens 700 mm aufweisen. Der Drehanodengrundkörper kann Titan oder eine Titan enthaltende Legierung umfassen, beispielsweise eine Titanlegierung, oder daraus hergestellt sein. Als besonders vorteilhaft hat sich Titan Grade 5 erwiesen.
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Eine unmittelbare Verbindung meint eine direkte Verbindung ohne weitere Zwischenschichten. Die Trägerstruktur kontaktiert dabei die Basisschicht zumindest punktuell, bevorzugt flächig. Bei einer mittelbaren Verbindung können zwischen der Trägerstruktur und der Basisschicht eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet sein.
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Die erfindungsgemäß ausgestaltete Basisschicht erlaubt eine technisch besonders einfache Verbindung mit der Trägerstruktur.
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Die Verbindung ist bevorzugt eine stoffschlüssige Verbindung. So kann eine besonders feste, flächige Verbindung hergestellt werden.
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Eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung ist jedoch nicht ausgeschlossen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein einfaches Auswechseln des Brennbahnmoduls ermöglicht werden. Beispielsweise kann das Brennbahnmodul hierzu ein oder mehrere erste Verbindungselemente aufweisen und die Drehanode, insbesondere die Trägerstruktur, kann ein oder mehrere zweite Verbindungselemente aufweisen, wobei die ersten Verbindungselement und die zweiten Verbindungselemente derart miteinander zusammenwirken, dass zumindest in radialer Richtung eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung hergestellt werden kann. Ein Austausch kann dann beispielsweise eine Relativbewegung in axialer Richtung umfassen. Eine kraftschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch einen Steckmechanismus erreicht werden.
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In einer Ausführungsform ist die Trägerstruktur aus mehreren Teilen aufgebaut, die in unterschiedlichen Winkelbereichen angeordnet sind. Die Teile können beispielsweise eine kuchenstückartige Grundform aufweisen. Beim Drehen um die Drehachse gelangen die Teile dann nacheinander in eine dem Elektronenstrahl zugewandte Position. Die Teile können stoffschlüssig miteinander verbunden sein, etwa durch Schweißen. Verbindungslinien zwischen benachbarten Teilen sind insbesondere radial ausgerichtet. Es können beispielsweise wenigstens 4 und/oder höchstens 20 Teile vorhanden sein.
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Zwischen den Teilen können beispielsweise stabförmige Elemente eines Materials angeordnet sein, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat als das Material der Trägerstruktur. Die Elemente verlaufen insbesondere in radialer Richtung. Das Material der Elemente kann z. B. Kupfer sein. die Teile der Trägerstruktur können das Material der Elemente vollständig umschließen. In diesem Fall kann das Material der Elemente auch derart sein, dass es bei einer erhöhten Betriebstemperatur der Drehanode teilweise oder ganz schmilzt.
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In einer Ausgestaltung weist die Drehanode mehrere in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Brennbahnmodule, insbesondere erfindungsgemäße Brennbahnmodule auf. In Umfangsrichtung hintereinander bedeutet, dass ein Elektronenstrahl nacheinander auf jeweilige Brennbahnen der einzelnen Module auftrifft, wenn die Drehanode gedreht wird. Insbesondere sind zwischen den Brennbahnmodulen jeweils Aussparungen angeordnet. Die Aussparungen können schräg sein.
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Es können beispielsweise wenigstens 4 Brennbahnmodule und/oder höchstens 72 Brennbahnmodule vorhanden sein. Jedes Brennbahnmodul deckt somit einen Winkel von wenigstens 5° und/oder höchstens 90° ab.
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Die Aussparungen dienen dazu, dass sich die einzelnen Brennbahnmodule nicht berühren. Auf diese Weise kann sich jedes Brennbahnmodul unabhängig von den benachbarten Brennbahnmodulen bei Temperaturänderung ausdehnen bzw. zusammenziehen. Das Auftreten von Spannungen wird verringert. Letztlich können so höhere Temperaturen und damit höhere Strahlleistungen erreicht werden. Die Aussparung kann eine Breite von mindestens 0,3 mm, insbesondere mindestens 0,6 mm und/oder höchstens 3 mm, insbesondere höchstens 2 mm aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Breite der Aussparung ungefähr 1 mm. Die Aussparung verläuft zumindest über einen Teil der Dicke des Brennbahnmoduls, insbesondere über die gesamte Dicke des Brennbahnmoduls. Die Tiefe der Aussparung kann mindestens 10 mm und/oder höchstens 50 mm betragen.
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Die schräge Anordnung der Aussparungen dient dazu, ein Auftreffen der Elektronen auf direktem Weg auf die Basisschicht und/oder die Trägerstruktur zu verhindern. So kann eine übermäßige Erwärmung der Basisschicht bzw. der Trägerstruktur verhindert werden. Die schräge Anordnung bezieht sich insbesondere auf eine Oberfläche der Brennbahn und/oder eine Richtung des Elektronenstrahls. Beispielsweise kann der Elektronenstrahl etwa senkrecht auf die Oberfläche auftreffen. Die Aussparung kann beispielsweise in einem Winkel von wenigstens 5 , bevorzugt wenigstens 10°, insbesondere wenigstens 15° und/oder höchstens 60°, bevorzugt höchstens 45°, insbesondere höchstens 30° oder höchstens 20° zur Flächennormalen der Oberfläche und/oder zur Richtung des Elektronenstrahls angeordnet sein.
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Die schräge Anordnung der Aussparungen kann beispielsweise durch Module erzeugt werden, deren Seitenflächen in einem von 90° abweichenden Winkel zu zumindest einer Hauptoberfläche ausgerichtet ist. Die Brennbahn befindet sich typischerweise an einer Hauptoberfläche.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines insbesondere erfindungsgemäßen Brennbahnmoduls. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Basisschicht, die insbesondere ein metallisches Material mit einer Dichte von weniger als 7,85 g/cm3 umfasst. Das Verfahren umfasst insbesondere das Bereitstellen einer Zwischenschicht zum Ableiten und/oder Speichern von Wärme. Das Verfahren kann das insbesondere stoffschlüssige Verbinden der Basisschicht und der Zwischenschicht umfassen. Das Verfahren kann das Herstellen einer Brennbahn insbesondere auf der Zwischenschicht umfassen.
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Alle Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile des oben beschriebenen Brennbahnmoduls sowie der Drehanode können ebenso für das Herstellungsverfahren gelten und umgekehrt.
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Das Bereitstellen einer bestimmten Schicht kann als Bereitstellen eines physischen Teils ausgeführt werden, welches im hergestellten Brennbahnmodul die bestimmte Schicht bildet. Das Bereitstellen der Schicht kann aber auch durch Herstellen der Schicht, beispielsweise ein Abscheiden aus Partikeln oder aus einer Gasphase, beispielsweise auf einer anderen Schicht erfolgen.
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Die Brennbahn wird insbesondere auf der der Basisschicht abgewandten Seite der Zwischenschicht hergestellt. Das Herstellen der Brennbahn kann vor oder nach dem Verbinden der Basisschicht mit der Zwischenschicht erfolgen. Das ist für die Herstellung des Brennbahnmoduls unerheblich.
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In einer ersten Variante wird zunächst eine Brennbahn, beispielsweise mit oder aus Wolfram, auf der Zwischenschicht hergestellt, bevor die Zwischenschicht mit der Basisschicht verbunden wird, beispielsweise durch Diffusionsschweißen, wie unten beschrieben. Mit anderen Worten wird zunächst ein Modul umfassend die Brennbahn und die Zwischenschicht hergestellt, welches anschließend mit der Basisschicht verbunden wird.
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In einer zweiten Variante erfolgt zunächst das Verbinden der Zwischenschicht mit der Basisschicht, bevor die Brennbahn, beispielsweise mit oder aus Wolfram, auf der Zwischenschicht hergestellt wird. Hier wird also ein Modul umfassend die Zwischenschicht und die Basisschicht hergestellt, welches anschließend mit der Brennbahn versehen wird.
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Unabhängig von den beschriebenen Varianten ist es grundsätzlich unerheblich, wann die Basisschicht mit der Trägerstruktur des Drehanodengrundkörpers verbunden wird. Wie weiter unten ausgeführt kann es verfahrenstechnisch ggf. einfacher und damit vorteilhaft sein, zunächst ein Brennbahnmodul herzustellen und dieses anschließend mit der Trägerstruktur zu verbinden. Es ist jedoch ebenso möglich, zunächst beispielsweise die Basisschicht mit der Trägerstruktur zu verbinden und anschließend ein Modul aus Brennbahn und Zwischenschicht aufzutragen oder zunächst die Zwischenschicht und anschließend die Brennbahn aufzutragen. Ebenso ist es möglich, zunächst die Trägerstruktur mit einem Modul aus Basisschicht und Zwischenschicht zu verbinden und anschließend die Brennbahn aufzutragen.
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Das Herstellen der Brennbahn erfolgt beispielsweise durch pulvermetallurgisches Sintern. Hierbei wird ein Pulver des Materials der Brennbahn bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur verpresst. Sintern ist in der oben genannten ersten Variante besonders vorteilhaft, also wenn zunächst ein Modul aus Brennbahn und Zwischenschicht hergestellt wird.
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Alternativ kann das Herstellen der Brennbahn durch eine Beschichtung, beispielsweise eine Vakuum-Plasma-Beschichtung (Vacuum Plasma Spraying; VPS) erfolgen. Weitere mögliche Arten der Beschichtung zur Herstellung der Brennbahn sind die PVD- bzw. CVD-Beschichtung (physikalische Gasphasenabscheidung, engl. "physical vapour deposition", bzw. chemische Gasphasenabscheidung, engl. "chemical vapour deposition"). Beschichtungsverfahren sind unabhängig von der oben genannten Variante vorteilhaft.
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In einer Ausführungsform erfolgt ein stoffschlüssiges Verbinden durch Schweißen. Beispielsweise wird eine Molybdän enthaltende Zwischenschicht an einen Drehanodengrundkörper geschweißt.
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In einer Ausgestaltung erfolgt das stoffschlüssige Verbinden der Basisschicht und der Zwischenschicht durch Diffusionsschweißen.
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Beim Diffusionsschweißen werden die Fügepartner bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur aneinandergepresst, so dass sich stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird. Das Diffusionsschweißen kommt insbesondere ohne Fremdwerkstoffe aus und ermöglicht eine besonders feste Verbindung. Insbesondere im Falle einer Titan enthaltenden Basisschicht und einer Molybdän enthaltenden Zwischenschicht ist das Diffusionsschweißen zur Herstellung einer festen Verbindung besonders geeignet. Das Diffusionsschweißen kann im Vakuum erfolgen.
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Insbesondere erfolgt vor dem Diffusionsschweißen ein Ebnen der zu verbindenden Oberfläche der Basisschicht und/oder der Zwischenschicht, beispielsweise mit einem Trennverfahren wie z. B. durch Schleifen. Insbesondere wird beim Diffusionsschweißen ein Druck von wenigstens 10 MPa und/oder höchstens 100 MPa ausgeübt. Insbesondere beträgt die Temperatur beim Diffusionsschweißen wenigstens 800 °C, insbesondere wenigstens 850 °C und/oder höchstens 1000 °C, bevorzugt höchstens 950 °C, beispielsweise höchstens 900 °C. insbesondere erfolgt das Diffusionsschweißen über eine Zeitdauer von wenigstens 1 h, insbesondere wenigstens 5 h und bevorzugt wenigstens 10 h und/oder höchstens 35 h, insbesondere höchstens 24 h und bevorzugt höchstens 16 h.
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In einer Ausführungsform wird beim Diffusionsschweißen eine Verbindungsschicht zwischen der Basisschicht und der Zwischenschicht verwendet. Die Verbindungsschicht dient dazu, die Verbindung beim Diffusionsschweißen zu verbessern. Beispielsweise wird eine Folie aus einem Verbindungsmaterial zwischen den zu fügenden Partnern angeordnet. Es kann beispielsweise eine Folie aus Reintitan oder Titan Grade 2 verwendet werden. Durch weniger Legierungsbestandteile und damit eine geringere Anzahl an Fremdatomen kann eine bessere Diffusion und eine homogenere Fügezone erreicht werden und/oder das Fügen kann beschleunigt werden. Eine so verwendete Folie kann beispielsweise eine Dicke von wenigstens 10 µm, bevorzugt wenigstens 50 µm und/oder höchstens 500 µm, bevorzugt höchstens 200 µm aufweisen. In einem Beispiel weist eine so verwendete Folie eine Dicke von ungefähr 100 µm auf. Alternativ zu Titan kann eine Verbindungsschicht bzw. Folie auch aus Cr, Ni oder Si bestehen.
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In einer Ausführungsform hat sowohl die Basisschicht als auch die Zwischenschicht eine maximale Erstreckung von höchstens 20 cm, insbesondere höchstens 15 cm, höchstens 12 cm oder höchstens 10 cm. Die maximale Erstreckung meint die längste Länge des Brennbahnmoduls unabhängig von der Richtung im Raum. Dies ermöglicht, die Verbindung der Zwischenschicht und der Basisschicht besonders einfach in einer Kammer einer handelsüblichen Vorrichtung zum Diffusionsschweißen herzustellen. Insbesondere gilt das auch für die Brennbahn, so dass auch ein Modul aus Brennbahn und Zwischenschicht in der Kammer mit der Basisschicht verbunden werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Drehanode. Das Verfahren umfasst insbesondere das Bereitstellen eines insbesondere erfindungsgemäßen Brennbahnmoduls. Das Verfahren umfasst insbesondere das Bereitstellen eines Drehanodengrundkörpers, typischerweise mit einer Trägerstruktur. Insbesondere umfasst das Verfahren das Verbinden des Brennbahnmoduls mit der Trägerstruktur. Insbesondere wird die Basisschicht des Brennbahnmoduls mit der Trägerstruktur verbunden.
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Alle Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile des oben beschriebenen Brennbahnmoduls, der Drehanode sowie des Herstellungsverfahrens für das Brennbahnmodul können ebenso für dieses Herstellungsverfahren gelten und umgekehrt.
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In einer Ausgestaltung erfolgt das Verbinden des Brennbahnmoduls mit der Trägerstruktur durch Schweißen, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Brennbahnmoduls und/oder einer erfindungsgemäßen Drehanode sowie das Beschießen der Brennbahn mit Elektronen, insbesondere mit einem Elektronenstrahl.
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Alle Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile der oben beschriebenen Aspekte können ebenso für diesen Aspekt gelten und umgekehrt.
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In einer Ausgestaltung beträgt eine Elektronenstrahlleistung mindestens 120 kW, insbesondere mindestens 200 kW. Insbesondere beträgt die Elektronenstrahlleistung mindestens 130 kW, typischerweise mindestens 150 kW, bevorzugt mindestens 180 kW, besonders bevorzugt mindestens 250 kW. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Elektronenstrahlleistung mindestens 500 kW, insbesondere mindestens 800 kW, typischerweise mindestens 1000 kW, besonders bevorzugt mindestens 1250 kW und in einem Beispiel mindestens 1500 kW.
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Die Dauer, während der die Röntgenstrahlen erzeugt werden können, ist abhängig von der Elektronenstrahlleistung. Insbesondere wird die Röntgenstrahlung bei 150 kW für wenigstens 15 Sekunden oder wenigstens 20 Sekunden erzeugt. Insbesondere wird die Röntgenstrahlung bei 1500 kW für wenigstens 0,75 Sekunden oder wenigstens 1 Sekunde erzeugt. Dieser Zusammenhang ist linear. Durch lineare Interpolation kann demnach für eine definierte Elektronenstrahlleistung die mögliche Dauer der Erzeugung der Röntgenstrahlung ermittelt werden. Die genannten Dauern bei den jeweilig zugehörigen Elektronenstrahlleistungen sind mit den aus dem Stand der Technik bekannten Drehanoden nicht erreichbar.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel wurde eine Drehanode hergestellt, die einen senkrecht zur Drehachse gemessenen Durchmesser von ungefähr 300 mm aufweist. Diese Drehanode konnte mit einer Frequenz von 400 Hz um ihre Drehachse gedreht werden.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel wurde eine Drehanode hergestellt, die einen senkrecht zur Drehachse gemessenen Durchmesser von ungefähr 600 mm aufweist. Diese Drehanode konnte mit einer Frequenz von 200 Hz um ihre Drehachse gedreht werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung auch anhand von Figuren näher erläutert. Merkmale der Ausführungsbeispiele können einzeln oder in einer Mehrzahl mit den beanspruchten Gegenständen kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist. Die beanspruchten Schutzbereiche sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Es zeigen:
- Figur 1:
- eine Schnittzeichnung einer Drehanode,
- Figur 2:
- eine Schnittzeichnung eines Brennbahnmoduls,
- Figur 3:
- eine perspektivische Darstellung eines Brennbahnmoduls,
- Figur 4:
- eine schematische Darstellungen eines Ausschnitts einer Drehanode,
- Figur 5:
- eine weitere perspektivische Darstellung eines Brennbahnmoduls, sowie
- Figur 6:
- ein mikroskopisches Bild einer Verbindung.
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Figur 1 zeigt eine Schnittzeichnung einer Drehanode 1 mit einem Drehanodengrundkörper 2 und einem an der Mantelfläche der Drehanode 1 bzw. des Drehanodengrundkörpers 2 angeordneten Brennbahnmodul 10. Die Drehanode ist um die Drehachse 20 drehbar. Ein Elektronenstrahl kann von radial außen auf das Brennbahnmodul 10, genauer gesagt auf die außen liegende, nicht gesondert dargestellte Brennbahn des Brennbahnmoduls 10 gerichtet werden. An der Brennbahn wird dann Röntgenstrahlung und ein erheblicher Teil an Abwärme erzeugt. Radial innerhalb der Brennbahn sind eine Zwischenschicht 16 und eine Basisschicht 14 angeordnet. Die Basisschicht 14 ist mit dem Drehanodengrundkörper 2 und der Zwischenschicht 16 verbunden.
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In Figur 1 ist das Brennbahnmodul 10 an einer Mantelfläche oder zylindrischen Außenfläche der Drehanode 1 angeordnet. Die Brennbahn weist axial nach außen. Alternativ dazu kann das Brennbahnmodul 10 auch an einer äußeren Stirnfläche der Drehanode 1 angeordnet sein. in dem Fall weist die Brennbahn radial nach oben oder unten. Die Flächennormale der Brennbahn ist parallel zur Drehachse 20 ausgerichtet. Die Brennbahn ist dann typischerweise kreisringförmig, wobei der äußere Durchmesser ungefähr dem Durchmesser des Drehanodengrundkörpers bzw. der Trägerstruktur entsprechen kann.
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Der Aufbau der Brennbahnmodule 10 ist in dem vergrößerten Ausschnitt in Figur 2, die zudem die Trägerstruktur 4 zeigt, im Detail dargestellt. Auf der Trägerstruktur 4 ist die Basisschicht 14 angeordnet. Die Trägerstruktur 4 kann grundsätzlich ein Teil des Drehanodengrundkörpers 2 sein, beispielsweise einstückig mit diesem ausgebildet sein. In diesem Fall kann der Drehanodengrundkörper 2 aus einem Material hergestellt sein, welches zum Verbinden mit der Basisschicht 14 geeignet ist. Alternativ können Drehanodengrundkörper 2 und Trägerstruktur 4 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Diese Materialien können stoffschlüssig, formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sein. Nur das Material der Trägerstruktur 4 muss dann zur Verbindung mit der Basisschicht 14 geeignet sein.
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Die Basisschicht 14 ist mit der Zwischenschicht 16 verbunden, die wiederum mit der Brennbahn 12 verbunden ist. Es zeigt sich, dass die Brennbahn 12 dünn ist im Vergleich zur Zwischenschicht 16 und der Basisschicht 14. Zwar sind die Größenverhältnisse in dieser schematischen Darstellung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, doch typischerweise ist die Brennbahn 12 dünner als die Zwischenschicht 16 und die Basisschicht 14.
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Es zeigt sich zudem, dass zwischen einem rechts gezeigten Brennbahnmodul 10 und einem links gezeigten Brennbahnmodul 10 eine Aussparung 30 vorhanden ist. Die Aussparung ist schräg. So kann ein beispielsweise senkrecht von oben auftreffender Elektronenstrahl nicht die Trägerstruktur 4 und insbesondere auch nicht die Basisschicht 14 erreichen. Insbesondere wird dies durch geeignete Wahl des Winkels der Aussparung sichergestellt. Die Aussparung wird insbesondere durch einander zugewandte, parallele Seitenwände benachbarter Brennbahnmodule 10 begrenzt.
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Figur 3 zeigt eine perspektivische Zeichnung eines Brennbahnmoduls 10. Dargestellt ist die generell gekrümmte Form, die auch in Figur 2 erkennbar ist. Die Abfolge der Schichten 14, 16, 12 ist wie oben beschrieben.
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Figur 4 zeigt die Geometrie einer Drehanode 1. Aufgrund der Symmetrie der Schnittzeichnung in Bezug zur Drehachse 20 sowie zu einer Ebene senkrecht zur Drehachse 20 ist nur ein Viertel der Drehanode 1 dargestellt. Auf der linken Seite verläuft die Drehachse 20 in vertikaler Richtung und auf der rechten Seite ist das Brennbahnmodul 10 dargestellt. Die Drehanode 1 bzw. der Drehanodengrundkörper kann hinsichtlich ihrer Geometrie so ausgestaltet sein, dass sie einer Scheibe gleicher Festigkeit entspricht. Im Bereich der Drehachse 20 kann eine zentrale, nicht dargestellte Durchgangsöffnung vorhanden sein, in der eine physische Achse aufgenommen werden kann. Es ist optional eine Kragenstruktur 22 vorhanden, um eine beispielsweise senkrecht zur Drehachse 20 ausgerichtete Fläche zum Halten der Scheibe bereitzustellen. Diese kann als Zentriersitz dienen. Der Drehanodengrundkörper 2 bildet die Trägerstruktur 4 aus, die auf der der nach außen schräg abfallenden Oberfläche zudem einen Kranz 24 umfasst, um eine zylindrische, radial nach außen weisende Mantelfläche auszubilden, an die das Brennbahnmodul 10 angebunden werden kann. Die Übergangsparameter für den Kranz 24 und die Kragenstruktur 22 können durch geometrische bzw. statische Optimierung bestimmt werden.
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Figur 5 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Figur 2, jedoch in einer abgewandelten Ausgestaltung. Anders als in Figur 2 ist die Oberfläche der Trägerstruktur 4, mit welcher die Basisschicht 14 verbunden wird, eben und nicht gekrümmt. Dies erlaubt, die Verbindung der Trägerstruktur 4 und der Basisschicht in einer Ebene herzustellen. Insbesondere erfolgt die Verbindung mittels Diffusionsschweißen. Dabei hat sich im Sinne eines über die gesamte Fläche gleichmäßigen Drucks eine ebene Verbindung als besonders vorteilhaft herausgestellt. Im Querschnitt ist die Basisschicht 14 insbesondere polygonartig.
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Im Gegenzug ist es notwendig, eine Trägerstruktur 4 mit einer Vielzahl von ebenen Oberflächenbereichen bereitzustellen, die in geeigneten Winkeln zueinander ausgerichtet sind. Beispielsweise kann die Trägerstruktur 4 bzw. der Drehanodengrundkörper im Schnitt eine äußere Kontur aufweisen, welche die Form eines regelmäßigen Polygons aufweist.
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Die runde Außenkontur wird hier typischerweise durch die Zwischenschicht 16 erzeugt. Die Brennbahn 12 dagegen ist, wie auch in der Ausgestaltung gemäß Figur 2, typischerweise eine Schicht mit konstanter Dicke.
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Es zeigt sich, dass der Winkel zwischen der linken Seitenwand und der Unterseite der Basisschicht 14 von dem Winkel zwischen der rechten Seitenwand und der Unterseite der Basisschicht 14 abweicht. Auf diese Weise kann besonders einfach die schräge Aussparung gemäß Figur 2 hergestellt werden.
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Figur 6 zeigt in um 180° gedrehter Ansicht gegenüber den Figuren 2 und 5 ein rasterelektronenmikroskopisches Bild einer Diffusionszone 19, die zwischen der Verbindungsschicht 18 in Form einer Folie aus Titan Grade 2 mit einer Dicke von 100 µm und einer Zwischenschicht 16 aus TZM ausgebildet ist. Oberhalb der Verbindungsschicht ist die Basisschicht 14 aus Titan Grade 5 dargestellt. An der Oberseite der Diffusionszone 19 sind hellere längliche Betaphasen erkennbar.
Bezugszeichenliste
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| Drehanode |
1 |
| Drehanodengrundkörper |
2 |
| Trägerstruktur |
4 |
| Brennbahnmodul |
10 |
| Brennbahn |
12 |
| Basisschicht |
14 |
| Zwischenschicht |
16 |
| Verbindungsschicht |
18 |
| Diffusionszone |
19 |
| Drehachse |
20 |
| Kragenstruktur |
22 |
| Kranz |
24 |
| Aussparung |
30 |