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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines kreisförmigen Röntgentargets mit einem Graphitrücken und einer Kappe aus einer Molybdänlegierung, wobei die Kappe einen Aussenrand und eine Brennspur aufweist und mit dem Graphitrücken entlang einer Stufe verbunden ist, wobei die Stufe eine Kante aufweist.
Röntgenstrahlenerzeugende Vorrichtungen oder Röntgenröhren enthalten typischerweise zwei Elektroden eines elektrischen Schaltkreises im Inneren einer evakuierten Kammer oder Röhre. Der elektrische Schaltkreis erzeugt einen Elektronenstrahl, der auf ein Anodentarget gerichtet ist. Eine Oberfläche der Anode wandelt die kinetische Energie des auf den Target auftreffenden Elektronenstrahls in elektromagnetische Hochfrequenzwellen um, d.h. Röntgenstrahlen, welche gesammelt und fokussiert werden, um einen Gegenstand zum Zweck seiner internen Untersuchung zu durchdringen.
Der auf der Targetoberfläche bzw. Brennspur auftreffende Hochgeschwindigkeits-Elektronenstrahl erzeugt extrem hohe und lokalisierte Temperaturen in der Targetstruktur, begleitet von hohen inneren Beanspruchungen, welche zu einer Abnützung und einem Ausfall des Targets führen. Folglich wird typischerweise ein rotierendes Anodentarget verwendet, um die lokale Wärmekonzentration und die lokalen Spannungen zu minimieren. Durch Drehen des Targets wird der Brennspruchbereich, welcher vom Elektronenstrahl getroffen wird, fortlaufend geändert und die Wärmeauswirkungen werden besser über die ganze Struktur verteilt, siehe z. B. US-Patent 5,414,748.
Eine bekanntes rotierendes Anodentarget enthält eine hitzebeständige Metallkappe mit einer Brennspur zum Erzeugen von Röntgenstrahlen, wenn sie von Elektronen aus einer Kathode getroffen wird. Ein Graphitrücken ist mittels eines Hartlötverfahrens an der Kappe befestigt, um eine Wärmesenke für die Wärme zu erzeugen, die von der Metallkappe und der Brennspur aus übertragen wird, siehe z. B. US 5,178,136. Beim längeren Betrieb einer Röntgenröhre wurde jedoch eine Ablösung des hartverlöteten Graphitrückens von der Metallkappe als eine Art von möglichem Betriebsausfall beobachtet.
Die DE 197 52 254 offenbart ein Verfahren zum Montieren einer rotierenden Röntgenröhrenstruktur, wobei eine Stufe an der den Graphitrücken tragenden Stirnseite der Kappe sehr nahe am Aussenrand und damit im radialen äusseren Bereich der Brennspur angeordnet ist. Durch den geringen Abstand der Stufe von der Brennspur kommt es zu einer Überhitzung im Bereich der Kappenstufe und folglich kann es zu einer Ablösung des Graphitrückens kommen.
Die Erfindung zielt darauf ab, ein Röntgentarget mit verlängerter Betriebsdauer zu schaffen, um die mit den bekannten Anordnungen verknüpften Probleme zu überwinden und dadurch einen Betriebsausfall aufgrund einer Ablösung des Graphitrückens von der Kappe zu vermeiden. Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen eines kreisförmigen Röntgenröhrentargets der einleitend angegebenen Art zeichnet sich dadurch aus, dass zum Verhindern des Ablösens des Graphitrückens von der Kappe diese mit dem Rücken entlang der Stufe durch Metallhartverlöten befestigt wird, wobei zur Verringerung der Wärmebelastung die Kante von dem Aussenrand der Kappe über einen Abstand radial nach innen versetzt wird, der annähernd gleich dem Abstand des Innenrandes der Brennspur vom Kappenaussenrand ist,
wogegen der Graphitrücken zur Erhöhung der Wärmespeicherung und Reduzierung der thermischen Beanspruchung bezüglich der Stufe radial nach aussen verlängert wird.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der Länge der Stufe, die sich entlang des gesamten Brennspurbereiches erstreckt und der damit verbundenen Versetzung der Kante der Stufe radial nach innen, wobei im Bereich der Kante lokale Wärmekonzentrationen und Spannungen reduziert werden, was die Gefahr eines Ablösens der Kappe vom Graphitrücken vermeidet.
Vorzugsweise wird in der oberen Oberfläche der Kappe zur Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Trägheitsmomentes des Targets eine Ausnehmung ausgebildet.
Nach einem weiteren Verfahrensmerkmal werden die Kanten der Kappenstufe abgerundet.
Erfindungsgemäss wird ferner vor dem Hartverlöten der Kappe mit dem Graphitrücken in den Graphitrücken eine Reihe von konzentrischen Rillen maschinell eingearbeitet.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein nach den erfindungsgemässen Verfahren hergestelltes Röntgenröhrentarget, das sich dadurch auszeichnet, dass die kreisförmige Kappe aus einer Molybdänlegierung mit einem Aussenrand, einer Brennspur und einer Stufe radial einwärts von ihrem Aussenrand versehen ist, wobei der Abstand der Kappenstufe vom Kappenaussenrand annähernd
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gleich dem Abstand des Innenrandes der Brennspur vom Kappenaussenrand ist, und dass der Graphitrücken mit der Stufe hartverlötet ist und sich über die Stufe hinaus radial nach aussen erstreckt. Durch die Versetzung der Kappenstufe vom Kappenaussenrand radial nach innen hat die Stufe von der Brennspur, wo die maximale Wärme erzeugt wird, einen Abstand und die Wärmebelastung der Stufe wird reduziert.
Da sich der Graphitrücken radial nach aussen über die Stufe hinauserstreckt, wird die Wärmebeanspruchung im Graphit reduziert und die Wärmespeicherung des Graphits erhöht.
Vorzugsweise weist die Kappe eine der abgestuften Oberfläche abgekehrte erste Oberfläche auf, die mit einer Ausnehmung zur Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Trägheitsmomentes versehen ist. Durch diese Massnahme erfährt die hartverlötete Stufenverbindung weniger Wärme, was die Beanspruchung des Lotmaterials reduziert, wodurch auch die Gefahr einer Ablösung des hartverlöteten Graphitrückens reduziert wird.
Im Rahmen der Erfindung ist die Brennspur auf der Kappe, wie an sich bekannt, auf der ersten Oberfläche radial innerhalb des Aussenrandes angeordnet.
Vorzugsweise weist die Brennspur, wie an sich bekannt, eine Wolfram-Rhenium-Legierung auf.
Dabei kann die Kappenstufe eine abgerundete Stufenkante haben.
Die Kappe kann, wie an sich bekannt, eine TZM-Molybdänlegierung aufweisen. Alternativ kann die Kappe Graphit aufweisen.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal sind im Rücken konzentrische Rillen ausgebildet.
Gemäss einer Weiterbildung des erfindungsgemässen Röntgenröhrentargets ist vorgesehen, dass die Kappe eine TZM-Molybdänkappe mit einer ersten Oberfläche, einer zweiten Oberfläche und einem Aussenrand ist, wobei die zweite Oberfläche neben dem Aussenrand eine Stufe aufweist, und wobei die Kappe allgemein symmetrisch um die Drehachse ist und auf der ersten Oberfläche neben dem Aussenrand eine Brennspur aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung trägt, dass der Graphitrücken mit einer oberen Oberfläche und auf dieser ausgebildeten konzentrischen Rillen versehen ist, wobei der Graphitrücken mit der Stufe entlang der konzentrischen Rillen hartverlötet ist, und dass in der ersten Oberfläche zwischen der Brennspur und der Drehachse eine Ausnehmung ausgebildet ist, die ein vorbestimmtes Trägsheitsmoment des Targets aufrechterhält.
Weitere Merkmale der Erfindung werden nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt eines bekannten Röntgenanodentargets;
Fig. 2 einen Querschnitt eines Röntgenanodentargets gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine vergrösserte Ansicht eines Teiles des in Fig. 2 gezeigten Röntgenanodentargets; und
Fig. 4 eine vergrösserte Ansicht eines Ausschnittes des in Fig. 3 gezeigten Röntgenanodentargetteiles.
Fig. 1 ist ein teilweiser Querschnitt einer Hälfte eines bekannten Röntgentargets 10 mit einer Metallkappe 12 und einem Rücken 14 aus Graphit. Die Kappe 12 und der Rücken 14 sind allgemein symmetrisch um eine Drehachse 16 und weisen im wesentlichen kreisförmige Aussenränder 18 bzw. 20 auf, die sich radial nach aussen von der Drehachse 16 erstrecken.
Die Metallkappe 12 ist aus hitzebeständigen Metallen gefertigt, wie Wolfram und Molybdän oder einer ihrer vielen Legierungen. In einer speziellen Ausführungsform ist die Metallkappe 12 aus TZM-Metall gefertigt, einer Legierung aus Titan, Zirkonium und Molybdän, welche sich als besonders widerstandsfähig gegen Verspannungen bzw. Verzerrungen bei den durch das Elektronenstrahlbombardment erzeugten thermischen Zyklen erwiesen hat. Die Kappe 12 weist eine im wesentlichen flache obere Oberfläche 22 auf, die sich von der Drehachse 16 bis zu einer Brennspur 24 erstreckt, die darauf durch pulvermetallurgische Verfahren gebildet ist. In einer speziellen Ausführungsform ist die Brennspur aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung gebildet. Die Brennspur 24 ist im wesentlichen flach und verläuft von der oberen Kappenoberfläche 22 mit einer negativen Steigung zum Kappenaussenrand 18.
Die untere Kappenoberfläche 26 weist einen im wesentlichen flachen Abschnitt 28 auf, der parallel zur oberen Kappenoberfläche 22 und neben einer im wesentlichen flachen oberen Oberfläche 30 des Graphitrückens 14 liegt. Eine Stufe 32 ist von der unteren Kappenoberfläche 26 aus ausgebildet und liegt in einem Abstand D, radial nach innen von dem Kappenaussenrand 18 entfernt. Die
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Stufe 32 weist einen vertikalen Abschnitt 34 auf, der im wesentlichen senkrecht zum flachen Abschnitt 28 der unteren Kappenoberfläche liegt, sowie einen von einer Stufenkappe ausgehenden horizontalen Abschnitt 36, der sich über eine Strecke im wesentlichen parallel zum flachen Abschnitt 28 der unteren Kappenoberfläche in Richtung zum Aussenrand 20 des Graphitrückens hinerstreckt, die in einem Abstand D2 radial nach innen von dem Kappenaussenrand 18 entfernt liegt.
Eine Schulter 38 verläuft von dem Kappenaussenrand 18 radial nach innen zwischen der unteren Kappenoberfläche 26 und dem horizontalen Abschnitt 36 der Stufe zu einem Innenrand 40 der Kappe, der im wesentlichen parallel zum vertikalen Abschnitt 34 der Stufe verläuft. Somit bilden der Kappeninnenrand 40 und der Graphitrückenaussenrand 20 eine im wesentlichen durchgehende Oberfläche.
Die obere Oberfläche 30 des Graphitrückens ist in ihrer Form allgemein komplementär zu der unteren Kappenoberfläche 26 und der Stufe 32, und der Graphitrücken 14 ist an der unteren Kappenoberfläche 26 und der Stufe 32 mittels bekannter Hartlöttechniken befestigt. Der Graphitrücken 14 weist einen Innenrand 42 auf, der im wesentlichen senkrecht zur unteren Kappenoberfläche 26 verläuft, und eine untere Oberfläche 44 mit einem inneren geneigten Abschnitt 46, einem Mittelabschnitt 48 und einem äusseren geneigten Abschnitt 50. Der Mittelabschnitt 48 verläuft im wesentlichen parallel zur unteren Kappenoberfläche 26. Der innere geneigte Abschnitt 46 verläuft von dem Innenrand 42 zum Mittelabschnitt 48 und besitzt eine negative Steigung. Der äussere geneigte Abschnitt 50 verläuft vom Mittelabschnitt 48 zum Aussenrand 20.
Der Graphitrücken 14 ist so geformt und entsprechend dimensioniert, dass er die Wärme speichert und dissipiert, die erzeugt wird, wenn die Brennspur 24 von Elektronen aus einer Röntgenkathode (nicht gezeigt) bombardiert wird.
Obwohl das Röntgentarget 10 wirksam Röntgenstrahlen erzeugt, wurde beobachtet, dass die Kappe 12 dazu tendiert, sich bei einem längeren Gebrauch der jeweiligen Röntgenröhre vom Graphitrücken 14 zu trennen bzw. abzulösen. Die Kappe 12, der Graphitrücken 14 und die Brennspur 24 haben jeweils unterschiedliche Wärmeausdehnungkoeffizienten aufgrund der Unterschiede der jeweiligen Herstellungsmaterialien. Folglich ergeben sich thermische Beanspruchungen und Spannungen in den Komponenten des Röntgentargets 10. Die maximalen Spannungen und Beanspruchungen wurden in einer oberen Kante der Hartlötverbindung zwischen der Kappe 12 und dem Graphitrücken 14, wo sich der vertikale Stufenabschnitt 34 mit dem flachen Abschnitt 28 der unteren Kappenoberfläche schneidet, gefunden.
Die Beobachtung hat bestätigt, dass das Auflösen der Hartlötverbindung an dieser oberen Kante beginnt.
Fig. 2 ist ein Querschnitt eines Röntgentargets 60, welches ein vorzeitiges Ablösen eines hartverlöteten Graphitrückens 62 von einer Metallkappe 64 reduziert, die beispielsweise aus einer TZM-Molybdänlegierung gefertigt ist. Die Kappe 64 und der Rücken 62 sind allgemein symmetrisch um eine Drehachse 66 und weisen im wesentlichen kreisförmige Aussenränder 68,70 auf, die sich jeweils radial nach aussen von der Drehachse 66 aus erstrecken. Die Kappe 64 weist eine im wesentlichen kreisförmige und flache mittlere obere Oberfläche 72 auf, die sich von der Drehachse 66 aus erstreckt, eine ringförmige obere Oberflächenausnehmung 74, die im wesentlichen radial ausserhalb der flachen mittleren oberen Oberfläche 72 liegt, und eine im wesentlichen flache und ringförmige äussere obere Oberfläche 76, die sich von der oberen Oberflächenausnehmung 74 aus erstreckt.
Die obere Oberflächenausnehmung 74 besitzt eine im wesentlichen flache Bodenoberfläche 78, die im wesentlichen parallel zur flachen mittleren oberen Oberfläche 72 und zur äusseren oberen Oberfläche 76 verläuft, sowie konturierte Seiten 80. Eine Brennspur 82 ist durch pulvermetallurgische Techniken zwischen der flachen äusseren oberen Oberfläche 76 und dem äusseren Kappenrand 68 ausgebildet. Die Brennspur 82 ist im wesentlichen flach und erstreckt sich über eine Strecke D3 von der äusseren oberen Oberfläche 76 zum Kappenaussenrand 68 mit einer negativen Steigung. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Brennspur 82 aus einer WolframRhenium-Legierung gebildet.
Fig. 3 ist eine vergrösserte Ansicht eines Teiles des in Fig. 2 gezeigten Röntgentargets 60. Eine untere Kappenoberfläche 100 weist einen im wesentlichen flachen Abschnitt 102 parallel zur mittleren oberen Kappenoberfläche 72 und neben einer im wesentlichen flachen oberen Oberfläche 103 des Graphitrückens 62 auf. Eine Stufe 104 verläuft von der unteren Kappenoberfläche 100 weg und liegt in einem Abstand D4 radial nach innen von dem Kappenaussenrand 68 weg, welcher Abstand annähernd gleich dem Abstand D3 ist, über den sich die Brennspur 82 von dem Kappenaussenrand 68 aus erstreckt.
Die Stufe 104 weist einen vertikalen Abschnitt 106 auf, der im wesent-
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lichen senkrecht zum flachen Abschnitt 102 der unteren Kappenoberfläche liegt, und einen horizontalen Abschnitt 108, der sich über eine Strecke im wesentlichen parallel zum flachen Abschnitt 102 der unteren Kappenoberfläche erstreckt. Eine Schulter 110 verläuft von dem Kappenaussenrand 68 radial nach innen zwischen der unteren Kappenoberfläche 100 und dem horizontalen Abschnitt 108 der Stufe und im wesentlichen parallel zur unteren Kappenoberfläche 100. Ein Radius 112 ist zwischen dem horizontalen Abschnitt 108 der Stufe und der Schulter 110 ausgeführt.
Die obere Graphitrückenoberfläche 103 ist in der Form im wesentlichen komplementär zur unteren Kappenoberfläche 100 und der Stufe 104, und der Graphitrücken 62 ist an der unteren Kappenoberfläche 100 und der Stufe 104 mit Hilfe bekannter Hartlöttechniken befestigt. Der Graphitrücken 62 weist einen Innenrand 116 auf, der im wesentlichen senkrecht zur unteren Kappenoberfläche 100 verläuft, sowie eine untere Oberfläche 118 mit einem inneren geneigten Abschnitt 120, einem Mittelabschnitt 122 und einem äusseren geneigten Abschnitt 124. Der Mittelabschnitt 122 verläuft im wesentlichen parallel zur unteren Kappenoberfläche 100. Der innere geneigte Abschnitt 120 verläuft von dem Innenrand 116 zum Mittelabschnitt 122 und besitzt eine negative Steigung.
Der äussere geneigte Abschnitt 124 verläuft vom Mittelabschnitt 122 zum Aussenrand 70.
Eine Rückenstufe 126 des Graphitrückens liegt in einem radialen Abstand D5 von dem Kappenaussenrand 68 und verläuft im wesentlichen senkrecht zum horizontalen Stufenabschnitt 108.
Ein konturierter Verbindungsabschnitt 128 verläuft zwischen der Rückenstufe 126 und dem Graphitrückenaussenrand 70 und bildet eine äussere Stufe 129 des Graphitrückens 62. Die Graphitrückenzwischenstufe 126, die Rückenstufe 128, der Kappenradius 112 und die Schulter 110 bilden eine Nut bzw. Einkerbung 130 zwischen dem Kappenaussenrand 68 und dem Graphitrückenaussenrand 70, welche jeweils annähernd im gleichen radialen Abstand zur Drehachse 66 liegen.
Die Struktur des Röntgentargets 60 bietet die folgenden Vorteile im Vergleich zu dem bekannten Röntgentarget 10 (in Fig. 1 gezeigt). Die obere Ecke der Hartlötverbindung (nicht gezeigt) zwischen dem Graphitrücken 62 und der Metallkappe 64, d. h. dort, wo der Vertikalabschnitt 106 die untere Kappenoberfläche 100 trifft, ist radial einwärts versetzt, und zwar wegen der grösseren Länge des horizontalen Stufenabschnittes 108 im Vergleich zu dem Röntgentarget 10. In der Folge ist die obere Ecke der Hartlötverbindung von der Brennspur 82, wo die stärkste Hitze im Betrieb des Röntgentargets 60 erzeugt wird, weiter wegversetzt.
Darüber hinaus ist der Graphitrückenau- #enrand 70 im Vergleich zu dem Röntgentarget 10 (in Fig. 1 gezeigt) radial nach aussen versetzt, wodurch das Volumen an Graphitmaterial vergrössert wird, was die thermischen Beanspruchungen reduziert und die Wärmespeicherkapazität des Rückens 62 erhöht. Auch entlasten die gekrümmten Ecken 132 der Stufe 104 (in Fig. 3 gezeigt) die Spannungskonzentrationen in den Komponentenmaterialien der Kappe 64 und des Rückens 62. Das Ergebnis dieser Verbesserungen sind eine kühlere Hartlötverbindung im Betrieb des Röntgentargets 60 und eine erhöhte Lebensdauerkapazität im Vergleich zu der Fähigkeit des bekannten Röntgentargets 10.
Die obere Oberflächenausnehmung 74 ist so dimensioniert, dass sie die Verlängerung des Graphitrückenaussenrandes 70 und das grössere Metallvolumen in der Stufe 104 im Vergleich zu dem Röntgentarget 10 ausgleicht, und auch um ein vorgewähltes polares und transversales Trägheitsmoment des Röntgentargets 60 aufrechtzuerhalten, während die Verformungsspannungscharakteristiken der Kappe 12 über längere Betriebszeiten verändert werden. Somit kann das Röntgentarget 60 in bestehenden Röntgenröhren verwendet werden, indem die obere Oberflächenausnehmung 74 strategisch so positioniert und dimensioniert wird, dass die Drehdynamik eines bestehenden Röntgentargets 10 erfüllt wird. Somit ist eine Neukalibrierung oder Modifikation einer Röntgenröhre unnotwendig.
Fig. 4 ist eine vergrösserte Ansicht des horizontalen Stufenabschnittes 108 mit einer schallplattenähnlichen Rille 134, die in die obere Oberfläche 103 des Rückens eingearbeitet ist und eine nichtlineare Grenze zwischen den Hartlötmetall 136 und den Graphitrücken 132 bildet. Das Hartlötmetall 136 verbindet die untere Kappenoberfläche und die obere Oberfläche 103 des Rückens.
Die schallplattenartige Rille vergrössert die Kontaktoberfläche zwischen dem Hartlötmetall 136 und der oberen Oberfläche 103 des Rückens und bildet damit eine stärkere Verbindung aus. Die schallplattenartige Rille 134 ist sinusförmig, und es wird angenommen, dass sie die Ausbreitung von Sprüngen in dem Hartlötmetall 136 über ihre Amplituden hinweg verhindert. In einer beispielhaften Ausführungsform weist die schallplattenartige Rille 136 eine Tiefe von 0,4 mm, einen Abstand von
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0,9 mm und einen eingeschlossenen Winkel von 30 auf.
Obwohl die Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird der Fachmann erkennen, dass sie im Rahmen der Ansprüche entsprechend modifiziert werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen eines kreisförmigen Röntgenröhrentargets mit einem Graphitrü- cken und einer Kappe aus einer Molybdänlegierung, wobei die Kappe einen Aussenrand und eine Brennspur aufweist und mit dem Graphitrücken entlang einer Stufe verbunden ist, wobei die Stufe eine Kante aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verhindern des
Ablösens des Graphitrückens von der Kappe, diese mit dem Rücken entlang der Stufe durch Metallhartverlöten befestigt wird, wobei zur Verringerung der Wärmebelastung die
Kante von dem Aussenrand der Kappe über einen Abstand radial nach innen versetzt wird, der annähernd gleich dem Abstand des Innenrandes der Brennspur vom Kappenaussen- rand ist,
wogegen der Graphitrücken zur Erhöhung der Wärmespeicherung und Reduzie- rung der thermischen Beanspruchung bezüglich der Stufe radial nach aussen verlängert wird.