Röntgendrehanode mit Oberflächenbeschichtung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Röntgendrehanode aus einem Grundkörper (1) mit oder ohne gesondertem Brennbahnbelag (3) aus hochschmelzenden Metallen und/oder deren Legierungen. Zumindest auf Teilbereichen der Drehanode ist eine der Wärmeabstrahlung dienende Beschichtung (2) aus hochschmelzenden Verbindungen aufgebracht. Die Beschichtung (2) schließt die Brennbahn mit ein und weist eine Dicke zwischen 0.1 µm und 2 µm auf. Vorzugsweise besteht die Beschichtung (2) aus einem Karbid, Nitrid oder Karbonitrid der Metalle Hf, Ta oder W oder aus einem Mischkarbid dieser Metalle und wird durch reaktives lonenplattieren aufgebracht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Röntgendrehanode mit ringförmiger Brennbahn, bestehend aus einem Grundkörper, mit oder ohne gesonderten Brennbahnbelag, aus hochschmelzenden Metallen und/oder deren Legierungen und aus einer zumindest auf Teilbereichen derselben aufgebrachten, die Brennbahn einschließenden Beschichtung aus hochschmelzenden Verbindungen.

[0002] Die sich stetig weiterentwickelnde Technik der Röntgendiagnostik, z.B. in der Digitalen Radiografie und der Röntgen-Computertomografie (CT), bedingt erhöhte thermische Belastungen der Röntgendrehanoden. Die Energieaufnahme während einer Serie von "CT-Scans" liegt beispielsweise bei 2 Megajoule; im stationären Betrieb muß diese Wärmemenge während einer Zykluszeit von 15 Minuten durch thermische Strahlung abgegeben werden, was einer mittleren Strahlungsleistung von etwa 2 kW entspricht.

[0003] Die Wärmestrahlung von einem Körper erfolgt bekanntlich gemäß dem Stefan-Boltzmannschen Strahlungsgesetz und ist proportional zur vierten Potenz der Temperatur, zur Oberfläche und zur hemisphärischen EmissivitätE.

[0004] Die Strahlungsleistung von Röntgendrehanoden kann somit im Prinzip durch höhere Betriebstemperaturen gesteigert werden; die werkstoffbedingten Grenztemperaturen sind jedoch bei den nach dem Stand der Technik gefertigten Röntgen-Drehanoden bereits erreicht. Die Vergrößerung der strahlenden Fläche als Maßnahme zur Steigerung der abgestrahlten Leistung kann einerseits durch Aufrauhung der Anodenoberfläche, andererseits durch Erhöhung des Durchmessers und der Dicke der Anode erfolgen. Letzteres ist aber wegen der Zunahme des Drehmomentes und des Gewichtes der Anode nur begrenzt möglich.

[0005] Schließlich ist auch eine Erhöhung der Strahlungsleistung durch Steigerung der Emissivität für Röntgendrehanoden bereits in einer Vielzahl von Vorveröffentlichungen vorgeschlagen worden; in der Regel in Form einer vollständigen oder teilweisen Beschichtung der Anodenoberfläche.

[0006] Eine Bewertung des Nutzeffektes von "schwarzen" Beschichtungen muß von den üblichen Betriebsbedingungen bei Hochleistungsröhren ausgehen. Im CT-Betrieb befindet sich beispielsweise die Anode während der Aufnahmeserie von typisch 3 Minuten Dauer je nach Anodenausgestaltung mehr oder weniger weitab vom thermischen Gleichgewicht. In jedem Fall liegen die Brennbahntemperaturen während der Aufnahme selbst um einige hundert Grad über den Temperaturen im Inneren bzw. an der Rückseite der Anode.

[0007] Wegen der T^4-Abhängigkeit trägt also gerade der Brennbahnbereich im Verhältnis zu seinem Flächenanteil an der Röntgendrehanode (typisch:

25 bis 30 % der Gesamtfläche) überproportional zur Strahlungskühlung bei. Eine Erhöhung der Emissivität ^£ im Brennbahnbereich von beispielsweise 0.25 für W/Re-Brennbahnbeläge auf 0.8 steigert die bei gleichen Grenztemperaturen erzielbare Strahlungskühlung einer beschichteten Anode unter CT-Bedingungen daher theoretisch auf bis zu 40 %. Umgekehrt lassen sich bei gleichgehaltenen Belastungsbedingungen die Arbeitstemperaturen der Anode durch eine Beschichtung, die den Brennbahnbereich einschließt, deutlich senken.

Während die üblicherweise für den Basiskörper und den Brennbahnbelag von Drehanoden verwendeten Metalle, Molybdän und Wolfram, je nach Oberflächenbeschaffenheit (geschliffen, sandgestrahlt), Koeffizienten der totalen hemisphärischen Emissivität zwischen 0,25 und 0,35 (bei 1000 °C) besitzen, weisen eine Reihe von Hartstoffen, insbesondere Karbide und Nitride der Übergangsmetalle, aber auch Boride und Oxide sowie Rhenium und Grafit eine wesentlich höhere Emissivität auf (0.5 bis 0.85 bei 1000 °C).

[0008] Bereits in der französischen Patentschrift Nr. 1 148 708 aus dem Jahre 1957 wurde vorgeschlagen, eine Wolfram-Drehanode mit einer Rhenium-Schicht, beispielsweise nach dem CVD-Verfahren, in einer Schichtdicke von mindestens 10 _/um, zu beschichten, um dadurch die Wärmeabstrahl-Fähigkeit der Anode zu erhöhen und gleichzeitig bei einer so dimensionierten Schichtdicke das Rhenium im Bereich der Brennfleckbahn zur ausschließlichen Erzeugung der Röntgenstrahlen zu nutzen. Potentielle Ausfallursachen und damit Nachteile derartiger Drehanoden sind mangelnde Schichthaftung (adhäsives Versagen) und Schichtermüdung (kohäsives Versagen) bei den hohen thermischen Wechselbeanspruchungen. Nachteilig ist schließlich auch der etwa gegenüber den oben genannten Karbiden vergleichsweise niedrige Wert des Emissions-Koeffizienten.

[0009] Die französische Patentschrift Nr. 1 371 880 beschreibt die Karbide, Nitride und Boride der Übergangsmetalle als mögliche Schichtwerkstoffe auf Drehanoden unterschiedlicher Substratwerkstoffe zur Verbesserung der Wärmeabstrahlung. Bevorzugtes Beschichtungsmaterial ist Tantalkarbid wegen seines hohen Emissions-Koeffizienten, aber auch wegen seines hohen Schmelzpunktes und wegen seiner geringen Material-Abdampfraten bei hohen Temperaturen. Als minimale Schichtdicke wird ein Wert von 25 _/um genannt. Um Reaktionen zwischen dem Grundmaterial und dem Karbid zu verhindern, werden Zwischenschichten aus Rhenium empfohlen. Das Patent umfaßt nach dem Anspruchswortlaut zwar die Beschichtung der gesamten Drehanoden-Oberfläche einschließlich Brennbahn. Es wird zu einzelnen Ausführungsbeispielen jedoch ausdrücklich empfohlen, die Brennbahn von der Beschichtung auszunehmen. Vollständig beschichtete Drehanoden der oben genannten Art haben den Nachteil, daß wegen der geringen _Wärmeleitfähig- keit z.B. des nach dem Patent mittels Plasmaspritzen aufgebrachten TaC (ca. 1/20 des Wolfram) bei den genannten Schichtstärken sehr hohe Temperaturgradienten über den Querschnitt der Schicht auftreten. Diese bewirken hohe mechanische Spannungen in der Schicht und in der Übergangszone Schicht-Substrat, und infolge der hohen Sprödigkeit des Karbides kommt es zu Rissen bzw. Absplitterungen in der Beschichtung. Als besonders nachteilig wird die dadurch bewirkte Aufrauhung der Oberfläche im Bereich der Brennbahn empfunden, da diese die Ausbeute der Röntgenstrahlung wesentlich beeinträchtigt.

[0010] In einer Vielzahl von Folgepatenten werden bis in jüngste Zeit immer wieder Drehanoden mit Oberflächenbeschichtung und Verfahren zu deren Herstellung beschrieben, welche die Wärmeabstrahlung verbessern sollen. Bei der Beschichtung wird die Brennbahn jedoch aufgrund der nach der Lehrmeinung nicht beherrschbaren, oben beschriebenen Nachteile ausdrücklich ausgenommen, was aus herstellungstechnischen Gründen in der Praxis meist nicht nur eine Aussparung der Brennbahn, sonder eine vollständige Aussparung der die Brennbahn enthaltenden Röntgendrehanoden-Oberseite bedeutet - z.B. DE 29 46 386, EU 0 018 685.

[0011] Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, die Wärmeabstrahlung von Röntgendrehanoden durch Aufbringen einer Beschichtung zu erhöhen, die den Brennbahnbereich einschließt und dabei die Nachteile bekannter Ausführungen, vor allem die mangelnde Thermoschockbeständigkeit und die unzureichende Schichthaftung vermeidet.

[0012] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die der Wärmeabstrahlung dienende Beschichtung eine Dicke zwischen 0.1 _/um und 2 um aufweist, wobei die Quelle der Röntgenstrahlung überwiegend in dem unter der Beschichtung liegenden Brennbahnmaterial verbleibt.

[0013] Die Ausgestaltung der Röntgendrehanode gemäß vorliegender Erfindung führt zu einer gezielten Aufteilung der Funktionen von thermischer Emission einerseits und Erzeugung der Röntgenstrahlen andererseits. Im Gegensatz zu früheren Lösungsvorschlägen, bei denen die den Brennbahnbereich einschließende thermisch-emissive Schicht ausdrücklich oder aufgrund der angegebenen Schichtstärken implizit auch der ausschließliche Entstehungsort der Röntgenstrahlung ist, wird erfindungsgemäß die Schichtdicke innerhalb des beanspruchten Schichtdicken-Bereiches allein nach den Erfordernissen der Emissivität und der thermo-mechanischen sowie metallurigischen Langzeitstabilität der thermisch-emissiven Beschichtung festgelegt. Die Erzeugung der Röntgenstrahlung wird - obigen Kriterien untergeordnet - durch die Beschichtung je nach den Gegebenheiten praktisch nicht oder doch zu einem gewissen Anteil beeinflußt. Die Schichtdicken für die erfindungsgemäßen Schichtmaterialien liegen mit 0.1 bis 2 _/um weit unterhalb der bekannten, die Brennbahn einschließenden Schichtdicken.

[0014] Nachdem in den vergangenen Jahren über eine Vielzahl von Vorschlägen die Wärmeabstrahlung von Röntgendrehanoden jeweils nur geringfügig verbessert werden konnte, läßt sich mit den Maßnahmen gemäß vorliegender Erfindung je nach Ausführung und Betriebsart der Röntgendrehanode eine 20 - 40 % Steigerung der Wärmeabstrahlung erzielen. Es war für den Durchschnittsfachmann nicht vorhersehbar, daß Beschichtungen auf der Brennbahn innerhalb des beanspruchten Schichtdickenbereiches derart günstige thermo-mechanische Stabilitäten aufweisen. Nur so ist erklärlich, daß die erfindungsgemäßen Beschichtungen bisher weder publiziert noch praktisch verwirklicht wurden, obwohl der Vorschlag der Beschichtung selbst schon vor mehr als 20 Jahren gemacht wurde.

[0015] Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Beschichtung aus einem Karbid, Nitrid oder einem Karbonitrid der Übergangsmetalle Hf, Ta oder W oder einem Mischkarbid dieser Metalle, insbesondere aus einer Tantalkarbid-Beschichtung der Zusammensetzung TaC (0.8≤x ≤1.0) oder einer Tantalkarbonitrid-Beschichtung der Zusammensetzung TaC_yN_z (0.8≤ y+z ≤1).

[0016] Nach einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Differenz der Ordnungszahlen zwischen der metallischen Komponente der Beschichtung einerseits und der Hauptkomponente des Brennbahnbelages andererseits ≤3.

[0017] Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß selbst dann keine wesentliche Veränderung (Verschiebung) des Röntgenspektrums eintreten kann, wenn nennenswerte Anteile der Röntgenstrahlung ihren Ursprung in der über dem Brennbahnbelag aufgebrachten Beschichtung haben.

[0018] Nach einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Beschichtung eine Dicke kleiner 0.5 um auf. Eine solche geringe Schichtdicke schließt aus, daß die erzeugte Röntgenstrahlung durch die Beschichtung nennenswert beeinflußt wird. Sie ist aber nur in solchen Fällen sinnvoll, wo aufgrund der gegebenen Beschichtungsmaterialien und Einsatzbedingungen gewährleistet bleibt, daß die thermische Emissivität der Anode zumindest überwiegend von der Beschichtung und nicht vom Grundmaterial bestimmt wird.

[0019] Nach einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung einer Röntgendrehanode gemäß der Erfindung erfolgt die Beschichtung durch ein PVD-Verfahren (physical vapour deposition), insbesondere durch Reaktives Ionenplattieren.

[0020] Nach einem weiteren bevorzugten Verfahren zur Herstellung der Röntgendrehanode gemäß Erfindung wird in einem einzigen Beschichtungslauf auf dem Grundkörper aus hochwarmfesten Materialien zunächst der Brennbahnbelag und anschließend die wärmeabstrahlende Beschichtung aufgebracht.

[0021] In der Praxis hat sich besonders bewährt, in einem gemeinsamen Beschichtungslauf zunächst eine 10 - 20 _/um dicke Rheniumschicht als Brennbahnbelag und anschließend eine 0.5 - 1 _/um dicke Tantalkarbidschicht als wärmeimittierenden Überzug auf der gesamten Anodenoberfläche aufzubringen.

[0022] Die Röntgendrehanode gemäß vorliegender Erfindung wird anhand nachfolgender Figuren näher erläutert.

[0023] 

Fig. 1 zeigt eine Röntgendrehanode gemäß der Erfindung im Schnitt.

Fig. 2 zeigt anhand praxisnaher Aufheiz-Abkühlzyklen den Temperaturverlauf der Anodenoberfläche als Funktion der Zeit für Röntgendrehanoden mit unterschiedlicher Beschichtung.

Figur 1 zeigt eine Röntgendrehanode typischer Bauart im Schnitt. Sie besteht aus einem Grundkörper aus hochschmelzenden Metallen und/oder deren Legierungen -1-. Die Anode besitzt auf ihrer Oberseite einen gesonderten Brennbahnbelag -3- und über die gesamte Anodenoberfläche eine Beschichtung -2- in einer erfindungsgemäßen Schichtdicke.

[0024] Eine Drehanode nach Fig. 1 wurde mit Hilfe des Reaktiven Ionenplattierens mit einer 0.5 _/um dicken Schicht, bestehend aus TaC, allseitig beschichtet. Durch intensives Zerstäuben der geschliffenen Anodenoberfläche in einer anomalen Glimmentladung ("Glimmen") war zuvor eine für die Schichthaftung und für eine erhöhte Abstrahlung günstige Oberflächentopologie geschaffen worden. Die Schicht war stoechiometrisches TaC mit NaC1-Struktur und blaß-goldener Farbe. Die im Ritztest bestimmte Haftfestigkeit betrug 200 kp/mm². Die durch den Beschichtungsprozeß in die Schicht eingebrachten, intrinsischen Spannungen wurden durch eine Vakuumglühung der Anode zwischen 1200 °C und 1600 °C abgebaut.

[0025] Es wurde an den so gefertigten erfindungsgemäßen Anoden keine erhöhte Anzahl von Röhrenstörungen, z.B. durch Hochspannungsinstabilitäten registriert, so daß eine Loslösung von Teilchen aus dem Belag ausgeschlossen werden kann.

[0026] Die derart gefertigte Drehanode wurde in einem, die praktisch auftretenden Verhältnisse simulierenden Röhrenprüfstand entsprechend den Ausführungen zu Fig. 2 untersucht und den dort benannten Vergleichsanoden gegenübergestellt.

[0027] Die Figur 2 zeigt in einem Diagramm für einen typischen Röntgendrehanoden-Belastungszyklus (81 kV, 250 mA, Schußdauer 6,4 sec.) den Anoden-Temperaturverlauf im Bereich der Brennbahn als Funktion der Zeit. Insbesondere Röntgendrehanoden für die Computertomografie werden heute üblicherweise so eingesetzt, daß durch kurzzeitigen Elektronenbeschuß eine Aufheizung des Brennflecks auf ca. 1800° C erfolgt und daß daran anschließend eine Pause gemacht wird, bis die Anode wieder auf ca. 600° C - 800° C abgekühlt ist, um dann erneut durch Elektronenbeschuß aufgeheizt zu werden. Das Diagramm enthält drei Kurven. Die Kurven wurden für Drehanoden gleicher Bauart, aber unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit, ermittelt. Die Kurve 1 zeigt den Temperaturverlauf der Brennbahn (90° vor Wiedereintritt in den Brennfleck) einer Röntgendrehanode gemäß vorliegender Erfindung, d.h. die Anode besteht aus einem Grundkörper, aus einer unter der Abkürzung TZM bekannten Molybdän-Legierung. Die Anode weist im Bereich der Brennbahn einen Brennbahnbelag aus einer Wolfram/Rhenium-Legierung auf und ist über die gesamte Oberfläche mit einer ca. 0,5 _/um dicken Tantalkarbidschicht belegt. Im Vergleich hierzu ist mit der Kurve 2 der Temperaturverlauf für eine gleichartige Anode gezeigt, bei der die der Kathode zugewandte Seite der Anode (den Brennbahnbelag aufweisende Seite) von der Beschichtung ausgeschlossen ist. Schließlich zeigt die dritte Kurve den Temperaturverlauf für eine Anode, ebenfalls gleicher Bauart, jedoch gänzlich ohne Tantalkarbid-Beschichtung.

[0028] Die vollständig beschichtete Röntgendrehanode weist gegenüber der unbeschichteten Anode bei Beibehaltung der maximalen Brennbahntemperatur mehr als eine Halbierung der Abkühlzeit von 300 auf 130 sec. auf, also praktisch mehr als eine Verdoppelung der Aufnahmezyklen. Gegenüber der teilweise beschichteten Anode ist das Verhältnis der Zykluszahlen immer noch ca. 1,5 zu 1.

[0029] Die Röntgenbeugungs-Analyse der Beschichtung im Brennbahnbereich nach 110 h Röhrentest gemäß oben genannten Bedingungen ergab stoechiometrisches TaC; es konnte keine Legierungsbildung mit dem darunterliegenden W/Re-Belag beobachtet werden. Die Schichthaftung auf dem Grundkörper war unverändert gut.

[0030] Mit diesem Ausführungsbeispiel konnte sowohl die thermo-mechanische und metallurgische Stabilität der erfindungsgemäßen Beschichtung als auch die damit bezweckte Erhöhung der Abstrahlung überzeugend nachgewiesen werden.

Ansprüche

1. Röntgendrehanode mit ringförmiger Brennbahn, bestehend aus einem Grundkörper (1) mit oder ohne gesondertem Brennbahnbelag (3) aus hochschmelzenden Metallen und/oder deren Legierungen sowie aus einer zumindest auf Teilbereichen derselben aufgebrachten, die Brennbahn einschließenden Beschichtung (2) aus hochschmelzenden Verbindungen, adurch gekennzeichnet, daß die der Wärmeabstrahlung dienende Beschichtung (2) eine Dicke zwischen 0.1 _/um und 2 _/um aufweist, wobei die Quelle der Röntgenstrahlung überwiegend in dem unter der Beschichtung (2) liegenden Brennbahnmaterial verbleibt.

2. Röntgendrehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Ordnungszahlen der metallischen Komponente der Beschichtung (2) einerseits und der Hauptkomponente des Brennbahnbelages (3) andererseits kleiner oder gleich 3 ist.

3. Röntgendrehanode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (2) aus einem Karbid, Nitrid oder Karbonitrid der Übergangsmetalle Hf, Ta oder W, oder einem Mischkarbid dieser Metalle besteht.

4. Röntgendrehanode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (2) aus TaC_x mit 0.8 ≤x ≤1.0 oder TaC_yN_z mit 0.8≤y+z≤1 besteht.

5. Röntgendrehanode nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (2) eine Dicke kleiner 0.5 ,um aufweist.

6. Röntgendrehanode nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennbahnbelag (3) eine 10 - 20 µm dicke Rheniumschicht und die wärmeabstrahlende Beschichtung (2) eine 0.5 - 1.0 µm dicke TaC-Schicht ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Röntgendrehanode nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (2) durch ein PVD-Verfahren (physical vapour deposition), insbesondere durch Reaktives Ionenplattieren erfolgt.

8. Verfahren zur Herstellung einer Röntgendrehanode nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennbahnbelag (3) und die emissive Beschichtung (2) in einem einzigen Beschichtungslauf durch aufeinander folgende Abscheidung des Brennbahnmaterials und der wärmeabstrahlenden Beschichtung (2) auf einen hochwarmfesten Grundkörper (1) aufgebracht werden.

Zeichnung