RÖNTGENANODE

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenanode gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Röntgenanoden werden in Röntgenvorrichtungen wie beispielsweise in Computertomographen in der medizinischen Diagnostik oder Gepäckröntgengeräten benötigt. Im Betrieb einer Röntgenvorrichtung werden von einer Kathode emittierte Elektronen durch eine Hochspannung zur Röntgenanode beschleunigt und dringen in das Anodenmaterial ein, wodurch Röntgenstrahlung entsteht. Ein Großteil der Energie des Elektronenstrahls wird dabei in der Röntgenanode in Wärme dissipiert, es treten dadurch sehr hohe thermische Belastungen im Brennbereich der Röntgenanode auf. Röntgenanoden sind typischerweise als feststehendes Bauteil in Form einer Stehanode mit einem Brennfleck oder als rotierendes Bauteil in Form einer Drehanode mit einer ringförmigen Brennbahn ausgeführt. Daneben sind lineare Erstreckungen für Röntgenanoden, auch als Linearanoden bezeichnet, mit einer länglichen Brennbahn bekannt. Linearanoden sind nicht drehend und meist als statische Anoden ausgeführt, die aber beispielsweise für aufeinanderfolgende Röntgenaufnahmen während einer Computertomographieaufnahme bewegbar sind.

[0003] Üblicherweise sind Röntgenanoden als Verbund aus mindestens einem Trägerkörper, der die mechanische Stabilität zur Verfügung stellt und bevorzugt aus einem hochschmelzenden Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, und mindestens einer Emissionsschicht, auch als Brennbelag oder Brennbahnbelag bezeichnet, in der beim Auftreffen von hochenergetischen Elektronen Röntgenstrahlung erzeugt wird, aufgebaut.

[0004] Bei Stehanoden weist dieser Trägerkörper in der Regel eine abgeschrägte zylinderähnliche Grundform auf, auf dessen meist abgeschrägter Stirnseite ein vergleichsweiser dünner, scheibenförmiger Brennbelag aus einem Röntgenstrahlen erzeugenden Material, beispielsweise aus Wolfram oder einer Wolfram Legierung, angeordnet ist.

[0005] Drehanoden besitzen üblicherweise an der Oberfläche eines scheibenförmigen Trägerkörpers als Emissionsschicht einen ringförmigen Brennbelag aus einem

[0006] Röntgenstrahlen erzeugenden Material. Aufgrund der Drehbewegung der Röntgendrehanode wird der Brennbelag im Einsatz durch den Elektronenstrahl punktuell entlang einer ringförmigen Bahn abgetastet, wodurch die thermische Belastung besser in der Drehanode verteilt werden kann.

[0007] Linearanoden haben eine längliche Ausrichtung, beispielsweise eine barrenförmige Grundform, ein Beispiel dafür ist in WO 2013/020151 A1 beschrieben. Bei Linearanoden ist typischerweise ein länglich ausgeführter Brennbelag an einer Seitenfläche, nicht der Stirnseite, des länglichen Trägerkörpers angeordnet.

[0008] Die Lebensdauer von Röntgenanoden ist aufgrund der Wechselwirkung mit dem hochenergetischen Elektronenstrahl und der hohen thermomechanischen, insbesondere bei Drehanoden zyklisch auftretenden Belastungen stark begrenzt. Mit fortschreitender Nutzung der Röntgenanode kommt es zu einer Ermüdung des Brennbelags, es kann im Brennbelag zur Bildung von Mikrorissen kommen, die sich mit weiterer Belastung netzwerkförmig in den Körper der Röntgenanode hinein ausbreiten können. Beschädigungen am Brennbelag haben nachteilige Folgen für die Röntgendosisausbeute und wirken sich negativ auf die Bildqualität der Röntgenaufnahmen aus. Bei Unterschreiten eines kritischen Schwellwertes für die Röntgendosisausbeute muss entweder die ganze Röntgenanode ausgetauscht oder zumindest der beschädigte Brennbelag überarbeitet bzw. erneuert werden. Zur Verbesserung des verbrauchten Brennbelags ist bekannt, den verbrauchten Brennbelag bis zu einer rissfreien Oberfläche abzutragen, was aufgrund der beschränkten Dicke des Brennbahnbelags nicht unbegrenzt möglich ist. Die Lebensdauer der Röntgenanode kann auch durch Aufbringen eines neuen Brennbelags auf den gegebenenfalls vorher abgetragenen, verbrauchten Brennbelag verlängert werden. Als Beispiel wird JP 2003 142000 A genannt. Dieses Aufbereitungsverfahren für den Brennbelag ist allerdings äußerst aufwendig und mit hohen Kosten verbunden. In der Industrie besteht daher Bedarf nach Röntgenanoden mit langer Lebensdauer.

[0009] DE 10 2005 049 519 A1 zeigt eine Röntgenanode mit einer röntgenaktiven Schicht, welche durch Einbringen mindestens einer Zwischenlage und einer Deckschicht eine hohe thermomechanische Belastbarkeit aufweist, um so eine vergleichsweise lange Lebensdauer der Röntgenanode zu erreichen.

[0010] Eine Röntgenanode mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist in DE 2 415 578 A1 gezeigt.

[0011] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Röntgenanode mit verlängerter Lebensdauer zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch eine Röntgenanode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0012] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Röntgenanode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung vorgeschlagen, die einen Trägerkörper und eine erste und mindestens eine zweite Emissionsschicht aus Röntgenstrahlungs-emittierenden Material aufweisen, wobei die Emissionsschichten auf einer Seite des Trägerkörpers durch eine Zwischenlage getrennt und in einer zentralen Richtung der Röntgenanode beabstandet angeordnet sind. Die Zwischenlage zwischen den Emissionsschichten ist aus dem gleichen Material wie der Trägerkörper gebildet. Die erste und mindestens eine zweite Emissionsschicht sind dabei auf der Seite der Röntgenanode angeordnet, im Folgenden auch Brennbahnseite genannt, die im Betrieb der Röntgenanode dem Röntgenstrahlung erzeugenden Elektronenstrahl zugewandt ist. Unter der zentralen Richtung wird im Allgemeinen auf eine Richtung Bezug genommen, die senkrecht auf eine Ebene orientiert ist, die im Wesentlichen durch die Ausdehnung der ersten Emissionsschicht aufgespannt wird. Bei einer Drehanode entspricht die zentrale Richtung jedenfalls der Rotationsachse der Drehanode. Bei einer Stehanode, bei der die Emissionsschicht typischerweise als kompakte Scheibe ausgebildet ist, wird mit zentraler Richtung auf die axiale Richtung der Stehanode Bezug genommen. Bei einer Linearanode entspricht die die zentrale Richtung definierende Ebene der Brennbahnseite der Linearanode, also jene üblicherweise ebene Seitenfläche mit der länglichen Emissionsschicht, die in Einbaulage der Röntgenanode dem Röntgenstrahlung-erzeugenden Elektronenstrahl zugewandt ist.

[0013] Zentraler Gedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass die Röntgenanode neben einer ersten, aktiven Emissionsschicht, die an einer äußeren Oberfläche der Röntgenanode angeordnet ist, mindestens eine weitere, zweite Emissionsschicht aufweist, die durch eine Zwischenlage geschützt vorerst im Inneren des Trägerkörpers verborgen ist. Solange die erste Emissionsschicht durch Wechselwirkung mit hochenergetischen Elektronen zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet wird, ist die mindestens eine zweite Emissionsschicht durch eine entsprechend dimensionierte Zwischenlage vor dem Auftreffen von Elektronen geschützt und daher inaktiv. Wenn die bis dahin aktive erste Emissionsschicht verbraucht ist und die nötige Röntgendosisausbeute nicht mehr erzielt werden kann, können diese und die Zwischenlage bis zur Oberfläche der bis dahin inaktiven zweiten Emissionsschicht abgetragen werden. Die freigelegte zweite Emissionsschicht wird nun zur aktiven Emissionsschicht, auf die im weiteren Betrieb der Röntgenröhre die Elektronen auftreffen und in der durch Wechselwirkung mit dem Röntgenanodenmaterial Röntgenstrahlung erzeugt wird. Die erfindungsgemäße Röntgenanode muss daher erst erneuert werden, wenn sämtliche Emissionsschichten abgenützt sind. Durch zerspanende Bearbeitung (Abschleifen, Abdrehen) kann die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Röntgenanode signifikant verlängert, im Vergleich zu einer herkömmlich aufgebauten Röntgenanode etwa verdoppelt werden. Dadurch, dass die Zwischenlage zwischen den Emissionsschichten aus dem gleichen Material wie der Trägerkörper gebildet wird, werden unter anderem fertigungstechnische Vorteile erreicht.

[0014] Neben einer einzelnen zweiten Emissionsschicht können in der Röntgenanode weitere zweite Emissionsschichten vorgesehen sein, die jeweils in der zentralen Richtung durch eine Zwischenlage beabstandet angeordnet und sukzessive aktivierbar sind, d.h. schrittweise nach Abnutzung der jeweils darüber liegenden Emissionsschicht freigelegt und zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet werden. Abhängig von der Anzahl der Emissionsschichten kann die durchschnittliche Lebensdauer einer derartigen Röntgenanode ein Vielfaches einer konventionellen Röntgenanode mit nur einer Emissionsschicht betragen.

[0015] Bevorzugt sind zwecks verbesserter Wärmeableitung die Emissionsschichten, die Zwischenlage und der Trägerkörper der Röntgenanode jeweils stoffschlüssig miteinander verbunden. Zum Schutz der vorerst inaktiven zweiten Emissionsschicht sollte der Abstand der inaktiven zweiten Emissionsschicht von der Oberfläche der Röntgenanode in zentraler Richtung größer als die mittlere Eindringtiefe der Elektronen in die Röntgenanode sein. Die Dicke der Zwischenlage, d.h. der Abstand in zentraler Richtung zwischen zwei benachbarten Emissionsschichten, beträgt mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 2 mm. Dadurch wird gewährleistet, dass die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der vorerst inaktiven zweiten Emissionsschicht und somit das Risiko einer frühzeitigen Beschädigung möglichst gering ist. Um das Gewicht der Röntgenanode, insbesondere bei Drehanoden das Trägheitsmoment, gering zu halten, sollte darauf geachtet werden, dass die Zwischenlage nicht wesentlich dicker als erforderlich dimensioniert wird, die Dicke vorteilhafterweise kleiner als 10 mm, insbesondere kleiner als 5 mm, beträgt.

[0016] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die erste und mindestens eine zweite Emissionsschicht derart angeordnet, dass sich die Geometrie und Position der jeweils aktiven Emissionsschicht bei einem Wechsel der aktiven Emissionsschicht nicht signifikant ändert. Bevorzugt sind die erste und zweite Emissionsschicht in Aufsicht auf die Brennbahnseite in der zentralen Richtung in einem Auftreffbereich der Elektronen deckungsgleich. Mit Auftreffbereich der Elektronen wird auf jenen Bereich an der Oberfläche der Röntgenanode Bezug genommen, der im Betrieb der Röntgenanode durch den Elektronenstrahl überstrichen wird. Vorteilhafterweise ist im Auftreffbereich der Elektronen der Abstand der ersten und zweiten Emissionsschicht im Wesentlichen konstant. Durch die deckungsgleiche bzw. parallele Anordnung der ersten und zweiten Emissionsschicht wird erreicht, dass die Geometrie der aktiven Emissionsschicht und dadurch die Funktionalität der Röntgenanode unverändert bleibt, wenn eine unverbrauchte Emissionsschicht freigelegt und zur aktiven Emissionsschicht wird. Eine Änderung der Betriebsparameter wie aufwändige Neupositionierung der Röntgenanode oder Änderung des Elektronenstrahlverlaufs ist daher nicht erforderlich. Um die nach dem Abtragen der verbrauchten Emissionsschicht etwas geringere Dicke der Röntgenanode auszugleichen, kann in der Röntgeneinrichtung eine Verschiebbarkeit der Röntgenanode in der zentralen Richtung vorgesehen sein.

[0017] Als Materialien für die Emissionsschichten kommen die für Röntgenstrahlungserzeugung bekannten Materialien wie insbesondere Wolfram oder Wolfram Legierungen, insbesondere Wolfram-Rhenium Legierungen, in Frage. Damit sich die Abstrahlcharakteristik der Röntgenanode beim Wechsel der Emissionsschichten nicht ändert, wird bevorzugt für die erste und mindestens eine zweite Emissionsschicht das gleiche Material gewählt. Üblicherweise beträgt die Dicke der Emissionsschicht im Bereich von 0,2 bis 2 mm.

[0018] Geeignete Materialien für den Trägerkörper sind insbesondere Molybdän und Molybdänbasierte Legierungen (z.B. TZM, MHC), Wolfram oder Wolfram-basierte Legierungen sowie eine Legierung auf Basis von Kupfer. Unter einer Molybdän-basierten, Wolframbasierten bzw. Kupfer-basierten Legierung wird auf eine Legierung Bezug genommen, die zu mindestens 50 at.% Molybdän, Wolfram bzw. Kupfer, insbesondere zu mindestens 90 at.% Molybdän, Wolfram bzw. Kupfer aufweist. Unter TZM wird auf eine Molybdän-Legierung mit einem Titan-Anteil von 0,5 Gew.%, einem irkonium-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. Der Trägerkörper kann auch einen Wolfram-Kupfer Verbundwerkstoff, einen Kupfer-Verbundwerkstoff, eine teilchenverstärkte Kupfer-Legierung, eine teilchenverstärkte Aluminium-Legierung oder Grafit aufweisen.

[0019] Wie bereits erwähnt ist die Zwischenlage, die die einzelnen Emissionsschichten voneinander trennt, erfindungsgemäß aus dem gleichen Material wie der Trägerkörper gebildet. Dies bringt unter anderem fertigungstechnische Vorteile mit sich.

[0020] Als eine Ausführungsform erweist es sich zudem als vorteilhaft, wenn sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Zwischenlage nicht mehr als 35 % vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten der ersten bzw. zweiten Emissionsschicht unterscheidet. In der Röntgenanode sind die aktive Emissionsschicht und die unmittelbar daran angrenzenden Bereiche die am stärksten thermisch belasteten Bereiche der Röntgenanode. Zu große Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten würden im Betrieb hohe mechanische Spannungen hervorrufen, die die Lebensdauer der Röntgenanode beeinträchtigen können.

[0021] Die Zwischenlage kann in einer einfachen Variante homogen aufgebaut sein, sie kann aber auch in verschiedene funktionelle Zwischenschichten strukturiert sein, in Varianten, die nicht Teil der beanspruchten Erfindung sind.

[0022] Die Zwischenlage kann beispielsweise mindestens eine Barriereschicht aufweisen. Eine solche Barriereschicht kann als Diffusions-Barriereschicht zur Unterdrückung von Diffusion, beispielsweise von unerwünschter Kohlenstoffdiffusion in die Emissionsschicht, ausgebildet sein und für diesen Zweck aus Rhenium, Molybdän, Tantal, Niob, Zirkonium, Titan bzw. Verbindungen oder Legierungen dieser Metalle bzw. von Kombinationen dieser Metalle gebildet sein.

[0023] Die Barriereschicht kann als Barriere gegen die Ausbreitung von Rissen, die in der aktiven Emissionsschicht beim Betrieb der Röntgenanode durch die Wechselwirkung mit hochenergetischen Elektronen auftreten, konzipiert sein. Insbesondere hilft eine derartige Barriereschicht gegen die Fortpflanzung dieser Risse bzw. der Ausbildung eines Rissnetzwerks in die noch unverbrauchte zweite Emissionsschicht. Eine zur Rissunterdrückung konzipierte Barriereschicht kann beispielsweise aus Tantal, Niob oder Rhenium bestehen. Generell sollte bei der Wahl des Materials für die Zwischenlage bzw. einzelner an die Emissionsschicht unmittelbar angrenzender Zwischenlage-Schichten geachtet werden, dass keine störende Diffusion des Materials der Zwischenlage selbst in die erste oder zweite Emissionsschicht stattfindet.

[0024] Die Zwischenlage kann mindestens eine Bindungsschicht aufweisen, die die Anbindung der Emissionsschicht verbessert. Eine derartige Bindungsschicht kann vorzugsweise mit den Bestandteilen der Emissionsschicht wie beispielsweise mit Wolfram oder Rhenium oder einer Verbindung davon angereichert sein.

[0025] Die Idee, die Röntgenanode mit zusätzlichen anfangs inaktiven und schrittweise aktivierbaren Emissionsschichten zu versehen, kann auf Röntgenanoden unterschiedlichster Bauformen übertragen werden. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Röntgenanode als Stehanode oder als Linearanode ausgeführt sein.

[0026] Besonders bevorzugt kann die Röntgenanode als Drehanode ausgeführt sein. Vorteilhafterweise können dabei die erste und zweite Emissionsschicht ringförmig ausgebildet und in der zentralen Richtung übereinander angeordnet sein. Drehanoden haben einen relativ hohen Grundpreis und daher lohnt es sich wirtschaftlich insbesondere bei Drehanoden, die Emissionsschicht bei Abnutzung zu reparieren, anstatt die gesamte Drehanode zu ersetzen. Die erfindungsgemäße Drehanode hat gegenüber einer reparierten Drehanode den Vorteil, dass die zweite Emissionsschicht, wenn sie schließlich zum Einsatz kommt, noch unberührt ist.

[0027] Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Röntgenanode kann auf die im Stand der Technik bewährten Herstellungsverfahren für Röntgenanoden zurückgegriffen werden. Die Emissionsschichten und Zwischenlage können als Schichtverbund mittels pulvermetallurgischer Verfahren durch Pressen, Sintern und Schmieden entsprechend geschichteter Pulver bzw. Pulvermischungen hergestellt werden. Bei metallischen Werkstoffen für den Trägerkörper mit hohem Schmelzpunkt wie beispielsweise TZM oder MHC werden die Emissionsschichten und die Zwischenlage vorzugsweise gemeinsam mit dem Trägerkörper hergestellt. Dazu wird in einem ersten Schritt ein Pressling aus entsprechend geschichteten Pulver bzw. Pulvermischung hergestellt, indem das Pulver bzw. die Pulvermischung für den Trägerkörper in eine Passform eingebracht und verpresst wird, anschließend das Pulver bzw. Pulvermischung für die zweite Emissionsschicht aufgetragen und verpresst wird, in einem nächsten Schritt das Pulver bzw. die Pulvermischung für die Zwischenlage aufgetragen und verpresst wird und abschließend das Pulver bzw. die Pulvermischung für die erste Emissionsschicht aufgetragen und verpresst wird. Anschließend wird der auf diese Weise erhaltene Pressling in bekannter Weise gesintert, geschmiedet und mechanisch nachbearbeitet. Bei metallischen Werkstoffen für den Trägerkörper mit vergleichsweise niedrigerem

[0028] Schmelzpunkt wie beispielsweise Kupfer kann ein pulvermetallurgisch hergestellter Schichtverbund aus Emissionsschichten und Zwischenlage mit einer Schmelze aus dem Trägerkörperwerkstoff hintergossen werden. Wird Grafit als Material für den Trägerkörper eingesetzt, ist eine zuverlässige Verbindung des Trägerkörpers mit einem unabhängig pulvermetallurgisch hergestellten Schichtverbund mit den Emissionsschichten schwierig. Insbesondere in diesem Fall können die Emissionsschichten und die Zwischenlage durch bekannte Beschichtungsverfahren wie beispielsweise chemische Dampfphasenabscheidung, physikalische Dampfphasenabscheidung bzw. thermische Beschichtungsverfahren wie insbesondere Plasmaspritzen auf den Trägerkörper aufgetragen werden.

[0029] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.

[0030] Es zeigen in nicht maßstabsgetreuer Darstellung:

Fig. 1:

eine Schnittdarstellung einer Stehanode;

Fig. 2:

eine perspektivische Darstellung einer Linearanode;

Fig. 3:

eine Schnittdarstellung der Linearanode von Fig. 2 entlang der Schnittebene I-I;

Fig. 4:

eine Draufsicht auf eine Drehanode;

Fig. 5:

eine Schnittdarstellung der Drehanode aus Fig. 4 entlang der Schnittebene II-II;

Fig. 6:

eine axonometrische Ansicht der Drehanode aus Fig. 4;

Fig. 7:

ein Ablaufdiagramm für ein pulvermetallurgisches Herstellungsverfahren einer Drehanode;

Fig. 8a:

eine Seitenansicht eines gesinterten Bauteils;

Fig. 8b:

einen Schnitt durch das gesinterte Bauteil von Fig. 8a;

Fig. 9a:

eine Draufsicht auf einen Schmiederohling;

Fig. 9b:

einen Schnitt durch den Schmiederohling von Fig. 9a.

[0031] Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Stehanode 10, deren grundsätzlicher Aufbau im Stand der Technik bekannt ist. Auf einen im Wesentlichen zylinderartigen Trägerkörper 13 ist an dessen abgeschrägter Stirnseite, die im Betrieb dem Elektronenstrahl zugewandt ist, in bekannter Weise eine erste Emissionsschicht 14 angeordnet, auf die im Betrieb hochenergetische Elektronen beschleunigt werden, wobei in Wechselwirkung mit dem Material der Emissionsschicht Röntgenstrahlung erzeugt wird. Die erfindungsgemäße Stehanode unterscheidet sich vom Stand der Technik durch eine zweite Emissionsschicht 15, die sich im Inneren der Stehanode befindet und die von der ersten Emissionsschicht in zentraler Richtung 17 beabstandet angeordnet ist. Die zentrale Richtung 17 entspricht der axialen Richtung der Stehanode 10. Die Zwischenlage 16 trennt die beiden Emissionsschichten 14,15 und schützt die vorerst inaktive zweite Emissionsschicht 15 vor den auf die erste Emissionsschicht auftreffenden Elektronen. Wenn sich die erste Emissionsschicht 14 nicht mehr für den weiteren Betrieb eignet, wird die zweite Emissionsschicht 15 freigelegt und kommt zur Erzeugung von Röntgenstrahlung zum Einsatz. Die erfindungsgemäße Stehanode ist daher nach Abnützung der ersten Emissionsschicht nochmals einsetzbar und muss erst überarbeitet oder erneuert werden, wenn beide Emissionsschichten unbenutzbar sind. Die erfindungsgemäße Stehanode 10 hat daher etwa eine doppelt so lange Lebensdauer wie eine Stehanode des Stands der Technik. Die Geometrie und Position der zweiten Emissionsschicht 15 ist bevorzugt an die der ersten Emissionsschicht 14 angepasst, sodass beim Wechsel der Emissionsschicht abgesehen von einer Verschiebung in zentraler Richtung die Stehanode nicht aufwendig nachjustiert werden muss. Die erste und zweite Emissionsschichten 14,15 sind parallel zueinander und in Blickrichtung entlang der zentralen Richtung 17 deckungsgleich.

[0032] Fig. 2 und Fig. 3 zeigen die Anwendung der erfindungsgemäßen Idee auf eine Linearanode 11. Ein Beispiel für eine Linearanode des Standes der Technik ist in WO 2013/020151 A1 beschrieben. Linearanoden haben eine längliche Ausdehnung entlang einer Erstreckungsrichtung, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine barrenförmige Grundform, wobei die Haupterstreckungsrichtung der Anode nicht notwendigerweise entlang einer geraden Linie verlaufen muss, sondern auch entlang einer gekrümmten Linie erfolgen kann. D.h. auch ein Quader, der zumindest über einen Teil seines Verlaufs eine Krümmung aufweist, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung als eine Linearanode zu verstehen. Die erste und zweite Emissionsschichten 14,15 sind an der Seitenfläche des quaderförmigen Trägerkörpers angeordnet, die im Betrieb dem Elektronenstrahl zugewandt ist. Die erste Emissionsschicht 14 ist länglich ausgeführt und spannt eine Ebene auf, die senkrecht auf die zentrale Richtung 17 ist. Die erste und zweite Emissionsschicht 14,15 sind durch eine Zwischenlage 16 getrennt in zentraler Richtung 17 beabstandet angeordnet. Der Abstand zwischen den beiden Emissionsschichten 14,15 ist über die flächige Ausdehnung der Emissionsschicht konstant. Bevorzugt sind die erste und zweite Emissionsschicht 14,15 in Blickrichtung entlang der zentralen Richtung 17 deckungsgleich. Analog zur Stehanode kommt die zweite Emissionsschicht 15 erst dann zum Einsatz, wenn mit der ersten Emissionsschicht 14 nicht mehr die nötige Röntgendosisausbeute erzielt werden kann und zur weiteren Verwendung der Linearanode die erste Emissionsschicht 14 und die Zwischenlage 16 abgeschliffen worden sind.

[0033] In Fig. 4 bis 6 ist schematisch eine erfindungsgemäße Drehanode 12 mit einem tellerförmigen, rotationssymmetrischen Trägerkörper 13 dargestellt. Wie bei im Stand der Technik bekannten Drehanoden ist an der Seite, die im Betrieb dem Elektronenstrahl zugewandt ist, eine erste Emissionsschicht 14 in einem ringförmigen Bereich an den abgeschrägten Schultern des Trägerkörpers angeordnet. Dieser Bereich entspricht dem Auftreffbereich 50 der Elektronen im Betrieb der Drehanode. Analog zu den vorherigen Ausführungsformen weist die erfindungsgemäße Drehanode 12 neben einer ersten Emissionsschicht 14 eine zweite Emissionsschicht 15 auf, die durch eine Zwischenlage 16 getrennt in zentraler Richtung 17 beabstandet angeordnet ist. Die zentrale Richtung 17 ist durch die Richtung der Rotationsachse der Drehanode gegeben. Die zweite Emissionsschicht 15 erstreckt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel über den Auftreffbereich 50 der Elektronen hinaus bis in einen inneren Bereich. Das hat wie nachfolgend erläutert fertigungstechnische Gründe bei einer pulvermetallurgischen Herstellung, ist aber klarerweise nicht zwingend erforderlich. Wenn sich die erste Emissionsschicht 14 nicht mehr für den weiteren Einsatz eignet, so wird diese und die Zwischenlage 16 entfernt.

[0034] Bevorzugt wird beim Abschleifen bzw. Abdrehen der Drehanode auch jener Teil der zweiten Emissionsschicht 15 abgetragen, der sich im inneren Bereich, also außerhalb des Bereichs, über den sich die erste Emissionsschicht erstreckt, befindet. Die zweite Emissionsschicht 15 hat dann als aktive Emissionsschicht dieselbe Ausdehnung wie die erste Emissionsschicht 14. Die erste und zweite Emissionsschicht 14,15 sind parallel zueinander angeordnet und im Auftreffbereich 50 der Elektronen sind bei der vorliegenden Drehanode die beiden Emissionsschichten 14,15 in einer Blickrichtung entlang der zentralen Richtung 17 deckungsgleich. Die Geometrie der beiden Emissionsschichten 14,15 ist also aufeinander abgestimmt, damit beim Wechsel der aktiven Emissionsschicht abgesehen von einer Verschiebung in zentraler Richtung keine weitergehenden Anpassungen der Drehanode notwendig sind. Bevorzugt wird auch das Material der ersten und zweiten Emissionsschicht 14,15 aufeinander abgestimmt und das gleiche Material für die beiden Emissionsschichten 14,15 verwendet, sodass sich auch das emittierte Strahlungsspektrum der Röntgenanode beim Wechsel der aktiven Emissionsschicht nicht ändert.

[0035] Die Zwischenlage 16 schützt im Betrieb der Drehanode die vorerst inaktive zweite Emissionsschicht 15 vor den auftreffenden Elektronen und sollte mit ausreichender Dicke dimensioniert werden, damit keine vorzeitigen Beschädigungen durch Wechselwirkung mit auftreffenden Elektronen auftreten. Ein Abstand (in zentraler Richtung) zwischen den beiden Emissionsschichten zwischen 2 und 5 mm hat sich als vorteilhaft erwiesen, da dadurch einerseits ausreichender Schutz bei den gängigen Belastungen gewährleistet werden konnte, andererseits das Trägheitsmoment der Drehanode durch die zusätzliche Masse nicht signifikant vergrößert wird. Um eine gute Wärmeweiterleitung zu gewährleisten, ist die erste Emissionsschicht mit der Zwischenlage stoffschlüssig verbunden, und die zweite Emissionsschicht mit der Zwischenlage und mit dem Trägerkörper stoffschlüssig verbunden. Als Vorteil erweist sich zudem, wenn die Zwischenlage eine Barriere gegen die weitere Ausbreitung von Rissen, wie sie in der aktiven Emissionsschicht entstehen, darstellt. Die Zwischenlage 16 kann zudem eine Barriere gegen die Diffusion von schädlichen Stoffen in die Emissionsschichten hinein (beispielsweise von Kohlenstoff aus dem gängigen Trägerkörpermaterial TZM oder MHC) ausbilden. Außerdem ist vorteilhaft, wenn die Zwischenlage 16 die Anbindung der Emissionsschicht an den Trägerkörper verbessert.

[0036] Die Zwischenlage 16 kann für diese Zwecke aus mehreren verschiedenen Schichten mit unterschiedlicher Funktionalität, insbesondere aus einer Barriereschicht und/oder Bindungsschicht aufgebaut sein. Eine solche Zwischenlage ist nicht Teil der beanspruchten Erfindung.

[0037] Fig. 7 links zeigt das Ablaufdiagram für ein pulvermetallurgisches Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen Röntgenanode, insbesondere einer Drehanode. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eignet sich primär zur Herstellung von einem metallischen Trägerkörper aus einem

[0038] Refraktärmetall bzw. aus einer Legierung auf Basis eines Refraktärmetalls wie TZM oder MHC und umfasst zumindest die folgenden Schritte:

• Befüllen einer Passform mit einem Pulver bzw. einer Pulvermischung für den Trägerkörper
• Pressen des Pulvers bzw. der Pulvermischung zu einem Formkörper
• Aufbringen des Pulvers bzw. der Pulvermischung für die zweite Emissionsschicht auf den im vorangehenden Schritt erhaltenen Formkörper
• Pressen des im vorangehenden Schritt erhaltenen Bauteils zu einem Formkörper
• Aufbringen des Pulvers bzw. der Pulvermischung für das Material der Zwischenlage auf den im vorangehenden Schritt erhaltenen Formkörper
• Pressen des im vorangehenden Schritt erhaltenen Bauteils zu einem Formkörper
• Aufbringen des Pulvers bzw. der Pulvermischung für die erste Emissionsschicht auf den im vorangehenden Schritt erhaltenen Formkörper
• Pressen des im vorangehenden Schritt erhaltenen Bauteils zu einem Formkörper
• Sintern des Formkörpers bei Temperaturen größer 2000°C
• Schmieden des gesinterten Formkörpers bei Temperaturen größer 1300°C
• Optional mechanisches Endbearbeiten zu einer Röntgenanode, insbesondere einer Drehanode.

[0039] In der Fig. 7 rechts sind schematisch die bei einzelnen Verfahrensschritten entstandenen Zwischenprodukte bzw. das finale Produkt am Beispiel einer Drehanode angegeben. Dabei ist mit 18, 18', 18", 18‴ der Pressling bezeichnet, der gesinterte Formkörper mit 19, der Schmiederohling mit 20 und mit 12 die fertige Drehanode.

[0040] Fig. 8a, Fig. 8b, Fig. 9a und Fig. 9b zeigen einen Teil dieser Zwischenprodukte anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels, bei dem als Ausgangspulver für den Trägerkörper ein TZM Pulver und für die beiden Emissionsschichten ein W95Re5 Pulver verwendet wird. Die Pulver wurden entsprechend vorangehend beschriebener Verfahrensschritte geschichtet, bei Drücken von bis zu 50 kN/cm² verpresst und anschließend bei einer Temperatur von ca. 2000°C bis 2400°C gesintert. Das so erhaltene gesinterte Bauteil 19 ist in Fig. 8a in einer Seitenansicht und in Fig. 8b in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellt. Anschließend wurde das gesinterte Bauteil in einer Schlagspindelpresse bei Temperaturen über 1300°C zu einem Bauteil mit hängenden Schultern geschmiedet. Der Schmiederohling 20 ist in Fig. 9a in einer Draufsicht von oben und in Fig. 9b in einer Schnittdarstellung abgebildet. Bei diesen Prototypen erstrecken sich die Emissionsschichten 14,15 aus fertigungstechnischen Gründen über die gesamte Ausdehnung des Bauteils, für eine Großserienfertigung kann natürlich vorgesehen sein, dass das Pulver für die Emissionsschichten nur im letztlich benötigten Bereich an den hängenden Schultern aufgetragen wird. Der Schmiederohling wird anschließend mechanisch nachbearbeitet, unter anderem die erste Emissionsschicht im nicht benötigten inneren Bereich abgeschliffen. Zur Erhöhung der Wärmeabstrahlfähigkeit kann (in bekannter Weise) an der der Brennbahnseite gegenüberliegenden Seite der Drehanode ein Abstrahlkörper angeordnet sein.

Ansprüche

1. Röntgenanode (10,11,12) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, aufweisend einen Trägerkörper (13) und eine erste und mindestens eine zweite Emissionsschicht (14,15), die beim Auftreffen von Elektronen Röntgenstrahlung erzeugen, wobei die Röntgenanode (10,11,12) eine zentrale Richtung (17) aufweist, die senkrecht auf eine Ebene orientiert ist, die im Wesentlichen durch die Ausdehnung der ersten Emissionsschicht (14) aufgespannt wird,

oder, wenn die Röntgenanode eine Drehanode ist, der Rotationsachse der Drehanode entspricht und wobei

die erste Emissionsschicht (14) an einer äußeren Oberfläche der Röntgenanode (10,11,12) angeordnet und als aktive Emissionsschicht (14) durch Wechselwirkung mit den hochenergetischen Elektronen zur Erzeugung der Röntgenstrahlung verwendbar ist und der Abstand zwischen den mindestens zwei Emissionsschichten (14,15), welche durch eine Zwischenlage (16) getrennt sind, in der zentralen Richtung (17) der Röntgenanode (10,11,12) mindestens 0,5 mm beträgt, sodass die mindestens eine zweite Emissionsschicht (15) vor dem Auftreffen von Elektronen geschützt und daher inaktiv ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsschichten (14, 15) auf einer Seite des Trägerkörpers (13) angeordnet sind, so dass die erste Emissionsschicht (14) und die Zwischenlage (16) bis zur Oberfläche der bis dahin inaktiven zweiten Emissionsschicht (15) abgetragen werden können und die freigelegte zweite Emissionsschicht (15) zur aktiven Emissionsschicht wird, wobei die Zwischenlage (16) zwischen den Emissionsschichten (14,15) aus dem gleichen Material wie der Trägerkörper (13) gebildet ist.

2. Röntgenanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Emissionsschicht (14,15) in einem Auftreffbereich der Elektronen (50) in einer Blickrichtung entlang der zentralen Richtung (17) deckungsgleich sind.

3. Röntgenanode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der ersten und zweiten Emissionsschicht (14,15) zumindest abschnittsweise im Wesentlichen konstant ist.

4. Röntgenanode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Emissionsschicht (14,15) aus Wolfram, Rhenium oder einer Wolfram Legierung wie insbesondere einer Wolfram-Rhenium Legierung hergestellt sind.

5. Röntgenanode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und mindestens zweite Emissionsschicht (14,15) aus dem gleichen Material hergestellt sind.

6. Röntgenanode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (13) zumindest einen Werkstoff der Gruppe Molybdän, Wolfram, Kupfer, eine Legierung auf Basis von Wolfram, Molybdän oder Kupfer, einen Wolfram-Kupfer Verbundwerkstoff, einen Kupfer-Verbundwerkstoff, eine teilchenverstärkte Kupfer-Legierung, eine teilchenverstärkte Aluminium-Legierung oder Graphit aufweist.

7. 44- Röntgenanode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenanode als Stehanode (10) oder Linearanode (11) ausgeführt ist.

8. Röntgenanode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenanode als Drehanode (12) ausgeführt ist.

9. Röntgenanode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Emissionsschicht (14,15) ringförmig ausgebildet und in zentraler Richtung (17) übereinander angeordnet sind.

Claims

1. An x-ray anode (10, 11, 12) for generating x-radiation, comprising a carrier body (13) and a first and at least one second emission layer (14,15), which generate x-radiation when they are impinged by electrons, wherein the x-ray anode (10, 11, 12) has a central direction (17) which is oriented perpendicularly to a plane that is defined substantially by the extent of the first emission layer (14), or, in case the x-ray anode is a rotary anode, corresponds to the axis of rotation of the rotary anode, and wherein the first emission layer (14) is arranged at an outer surface of the x-ray anode (10, 11, 12) and can be used as active emission layer (14) for generating x-radiation by interacting with high-energy electrons, and the distance between the at least two emission layers (14, 15) separated by an intermediate layer (16) in the central direction (17) of the x-ray anode (10, 11, 12) is at least 0.5 mm so that the at least second emission layer (15) is protected from the impingement of electrons, and is therefore inactive,
characterized in that
the emission layers (14, 15) are arranged at one side of the carrier body (13) so that the first emission layer (14) can be removed along with the intermediate layer (16) down to the surface of the until then inactive second emission layer (15), and the exposed second emission layer (15) then becomes the active emission layer, wherein the intermediate layer (16) between the emission layers (14, 15) is formed from the same material as the carrier body (13).

2. The x-ray anode as claimed in claim 1, characterized in that the first and the second emission layer (14, 15) are congruent in a viewing direction along the central direction (17) in a region of impingement of the electrons (50).

3. The x-ray anode as claimed in one of the preceding claims, characterized in that at least in certain portions, the distance between the first and the second emission layer (14, 15) is substantially constant.

4. The x-ray anode as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the first and/or the second emission layer (14,15) is/are produced from tungsten, rhenium or a tungsten alloy, such as in particular a tungsten-rhenium alloy.

5. The x-ray anode as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the first and the at least one second emission layer (14, 15) are produced from the same material.

6. The x-ray anode as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the carrier body (13) comprises at least one material from the group molybdenum, tungsten, copper, an alloy on the basis of tungsten, molybdenum or copper, a tungsten-copper composite material, a copper composite material, a particle-reinforced copper alloy, a particle-reinforced aluminum alloy or graphite.

7. The x-ray anode as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the x-ray anode is configured as a stationary anode (10) or a linear anode (11).

8. The x-ray anode as claimed in one of claims 1 to 6, characterized in that the x-ray anode is configured as a rotary anode (12).

9. The x-ray anode as claimed in claim 8, characterized in that the first and the second emission layer (14, 15) are formed in an annular manner and are arranged one above the other in the central direction (17).

Revendications

1. Anode à rayons X (10, 11, 12) destinée à produire un rayonnement X, présentant un corps de support (13) et une première et au moins une deuxième couche d'émission (14, 15), qui produisent un rayonnement X sous l'impact d'électrons, dans laquelle l'anode à rayons X (10, 11, 12) présente une direction centrale (17), qui est orientée de manière perpendiculaire sur un plan, qui est formé sensiblement par l'extension de la première couche d'émission (14) ou qui, lorsque l'anode à rayons X est une anode rotative, correspond à l'axe de rotation de l'anode rotative, et dans laquelle la première couche d'émission (14) est disposée sur une surface extérieure de l'anode à rayons X (10, 11, 12) et peut être utilisée en tant que couche d'émission active (14) pour produire le rayonnement X par interaction avec les électrons de haute énergie et la distance entre les au moins deux couches d'émission (14, 15), lesquelles sont séparées par une couche intermédiaire (16), dans la direction centrale (17) de l'anode à rayons X (10, 11, 12) est d'au moins 0,5 mm si bien que l'au moins une deuxième couche d'émission (15) est protégée de l'impact d'électrons et est par voie de conséquence inactive,
caractérisée en ce que
les couches d'émission (14, 15) sont disposées sur un côté du corps de support (13) si bien que la première couche d'émission (14) et la couche intermédiaire (16) peuvent être retirées jusqu'à la surface de la deuxième couche d'émission (15) à ce moment-là inactive et la deuxième couche d'émission (15) exposée devient la couche d'émission active, dans laquelle la couche intermédiaire (16) est formée entre les couches d'émission (14, 15) composées du même matériau que le corps de support (13).

2. Anode à rayons X selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première et la deuxième couche d'émission (14, 15) se superposent le long de la direction centrale (17) dans une direction d'observation dans une zone d'impact des électrons (50).

3. Anode à rayons X selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la distance entre la première et la deuxième couche d'émission (14, 15) est au moins par endroits sensiblement constante.

4. Anode à rayons X selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première et/ou la deuxième couche d'émission (14, 15) sont fabriquées à partir de tungstène, de rhénium ou d'un alliage comme en particulier un alliage de tungstène-rhénium.

5. Anode à rayons X selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première et l'au moins deuxième couche d'émission (14, 15) sont fabriquées à partir du même matériau.

6. Anode à rayons X selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le corps de support (13) présente au moins un matériau du groupe molybdène, tungstène, cuivre, un alliage à base de tungstène, de molybdène ou de cuivre, un matériau composite à base de tungstène-cuivre, un matériau composite à base de cuivre, un alliage de cuivre renforcé par des particules, un alliage d'aluminium renforcé par des particules ou du graphite.

7. Anode à rayons X selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'anode à rayons X est exécutée en tant qu'anode verticale (10) ou anode linéaire (11).

8. Anode à rayons X selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'anode à rayons X est exécutée en tant qu'anode rotative (12).

9. Anode à rayons X selon la revendication 8, caractérisée en ce que la première et la deuxième couche d'émission (14, 15) sont réalisées avec une forme annulaire et sont disposées l'une au-dessus de l'autre dans une direction centrale (17).

Zeichnung