-
In der Computertomographie braucht man für die zukünftigen Geräte zur besseren Bildqualität besondere Brennfleckqualitäten bei den Röntgenröhren. Diese Brennfleckqualitäten zeichnen sich dadurch aus, dass die Brennflecke auf dem Anodenteller kleiner werden sollen; gleichzeitig braucht man eine höhere Belastbarkeit als es derzeit üblich und mit den bekannten Anordnungen möglich ist. Dies bedeutet, dass die Leistungsdichte deutlich steigen soll – also die kurzzeitige Wärmebelastung und der kurzzeitige Temperaturhub.
-
In der älteren, am Anmeldetag der vorliegenden Erfindung noch nicht veröffentlichten
WO 2009/022292 A2 ist ein Anodendrehteller für Drehanodenröntgenröhren beschrieben, bei dem der Anodendrehteller eine auf ein Antriebszentrum formschlüssig anzubringende Tellerscheibe aufweist, die aus einem kriechbeständigen und gleichzeitig hoch wärmeleitfähigen Werkstoff mit hoher Thermoschockbeständigkeit besteht.
-
Aus den Patent Abstracts of Japan zur
JP 60 095 841 A ist ein Anodendrehteller für Drehanodenröntgenröhren bekannt, dessen Tellerscheibe mindestens eine Schicht aus Graphit aufweist.
-
Aus der
DE 103 16 089 A1 ist ein Anodendrehteller für Drehanodenröntgenröhren bekannt, dessen Tellerscheibe mit einem Antriebszentrum formschlüssig verbunden ist.
-
Die bekannten, zur Verfügung stehenden Materialien lassen diese Belastungssteigerung nicht zu. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Anodendrehteller anzugeben, mit dem diese Ziele erreichbar sind. Diese Aufgabe wird durch einen Anodendrehteller nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Um die auftretenden Kriechprozesse zu vermeiden oder zu begrenzen, sieht die vorliegende Erfindung zum einen einen Anodendrehteller für Drehanodenröntgenröhren vor, der eine auf ein Antriebszentrum formschlüssig anzubringende Tellerscheibe aufweist, die aus einem kriechbeständigen und gleichzeitig hoch wärmeleitfähigen Werkstoff mit hoher Thermoschockbeständigkeit besteht. Durch diese Maßnahme wird eine sehr hohe Kriechbeständigkeit des Anodendrehtellers erreicht, mit deren Hilfe die angestrebte Belastungssteigerung erreicht werden kann. Zum anderen ist vorgesehen, dass auf der Tellerscheibe mit Formschlusselementen ein Anodenring angebracht ist, der radial orientierte Kammern aufweist, in die Plättchen aus Pyrographit eingelegt sind.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Anodenring aus Graphit oder Silizium-Carbid (SiC) besteht.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Anodenring eine Beschichtung aufweist, die Wolfram (W) oder eine Wolfram-Rhenium-Legierung (WRe) enthält.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Anodenring eine Mehrzahl von Schlitzen aufweist.
-
Ein erfindungsgemäßer Anodendrehteller kann dadurch vorteilhaft ausgestaltet sein, dass der Anodenring mit den Formschlusselementen auf die Tellerscheibe aufgelötet ist.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine in einem einzigen Lötvorgang hergestellte Lötverbindung eine Wärmeleitverbindung von den Pyrographit-Plättchen zum Anodenring und zur Tellerscheibe bildet.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Tellerscheibe aus Silizium-Carbid (SiC), aus Silizium-Nitrid (Si3N4) oder aus einer Molybdän-Titan-Zirkonium-Legierung (TZM) besteht. Silizium-Carbid (SiC) hat eine ähnliche thermische Ausdehnung wie Molybdän (Mo), ist aber kriechbeständig und mit einer Dichte von ca. 3,15 kg/dm3 ca. 3,2-mal leichter als Molybdän (Mo) und hat eine mit Mo vergleichbare Wärmeleitfähigkeit. Das besondere von SiC ist die große Thermoschockbeständigkeit; diese resultiert aus der günstigen Kombination von thermischer Ausdehnung, Elastizitäts-Modul, Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherkapazität. TZM hat gewöhnlich die Zusammensetzung Mo99/Ti 0.5/Zr 0.1.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in die Tellerscheibe eine Mehrzahl von Schlitzen eingebracht ist.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mit Hilfe einer Figur näher erläutert. Da- bei zeigt
-
1 in schematischer Weise eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Anodendrehtellers als radiales Schnittbild durch den Anodendrehteller.
-
Ein Anodendrehteller für Röntgengeräte umfasst stets einen Brennfleckring, der sich mit hoher Drehzahl um ein Tellerzentrum dreht. Im Betrieb erhitzen sich der Brennfleck und damit der Brennfleckring sehr stark, wodurch erhebliche Materialbelastungen entstehen. Da die bekannten, zur Verfügung stehenden Materialien für Anodendrehteller die gewünschte Steigerung der Belastbarkeit nicht zulassen, geht die vorliegende Erfindung davon aus, die mechanisch-konstruktiven Baumerkmale des Anodendrehtellers zu ändern. Dabei sollte die Geschwindigkeit des rotierenden Brennfleckmaterials erhöht werden.
-
Wenn man jedoch bei den bekannten Drehanodentellern ohne Änderung der mechanisch-konstruktiven Baumerkmale die Umdrehungsgeschwindigkeit einfach erhöht, dann käme man in einen Materialbelastungsbereich, in dem aufgrund der erhöhten Fliehkraft das Tellermaterial weg kriecht und damit nicht tolerierbare Unwuchten entstehen.
-
Man könnte diesen unerwünschten Effekt zwar vermeiden, indem man den Durchmesser der Anodenteller beispielsweise um 20% erhöht. Dann käme es bei Beibehaltung der bisherigen Drehfrequenz zu einer entsprechenden Erhöhung der Brennfleckgeschwindigkeit.
-
Eine Durchmessererhöhung des Anodentellers führt aber zu einer überproportionalen Vergrößerung des Röhrenstrahlers. Die Röntgengeräte würden hierdurch groß und klobig, was in klinischen Umgebungen als störend empfunden wird. Eine Gewichtszunahme des Anodentellers und die damit überproportionale Erhöhung des Gewichtes des Strahlers (Antriebkomponenten usw.) würden es zudem kaum erlauben, die Rotationsgeschwindigkeit in der Gantry – wie es der allgemeine Entwicklungstrend voraussagt – zu erhöhen. Denn die somit erhöhten Lagerbelastungen würden raumfordernde Konstruktionsmerkmale erfordern.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, den Anodenteller nach Möglichkeit nicht schwerer zu machen und trotzdem seine Drehfrequenz nach Möglichkeit zu erhöhen.
-
Wie erwähnt, erreicht man eine höhere Brennfleckleistung auf der Brennbahn nur durch eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit, wenn man den Tellerdurchmesser nicht vergrößern will. Um die auftretenden Kriechprozesse zu vermeiden oder zu begrenzen, sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller für Drehanodenröntgenröhren mit einer auf ein Antriebszentrum (A) formschlüssig anzubringenden Tellerscheibe (B) vor, die aus einem kriechbeständigen und gleichzeitig hoch wärmeleitfähigen Werkstoff mit hoher Thermoschockbeständigkeit besteht. Durch diese Maßnahme wird eine sehr hohe Kriechbeständigkeit des Anodendrehtellers erreicht, mit deren Hilfe die angestrebte Belastungssteigerung erreicht werden kann.
-
Die vorliegende Erfindung verfolgt und erreicht somit das Ziel, den Anodenteller nicht schwerer zu machen und die Möglichkeit zu schaffen, seine Drehfrequenz zu erhöhen. Dazu sieht die Erfindung vor, neue Materialien unter die Brennfleckbahn zu bringen, um die Wärme schneller von der Brennfleckbahn in das tiefer gelegene Tellermaterial zu bringen, und dabei – trotz der höheren Belastungstemperaturen – ein Kriechen der Werkstoffe zu vermeiden.
-
1 zeigt in schematischer Weise einen Anodendrehteller, der diese Anforderungen erfüllt: Auf das Rotorsystem (also das Antriebszentrum) A wird in einem Formschluss eine Tellerscheibe B gelötet. Mit Vorteil besteht diese Scheibe B aus einem keramischen Werkstoff, vorzugsweise aus Silizium-Carbid (SiC).
-
Silizium-Carbid (SiC) hat eine ähnliche thermische Ausdehnung wie Molybdän (Mo), ist aber kriechbeständig und mit einer Dichte von ca. 3,15 kg/dm3 ca. 3,2-mal leichter als Molybdän (Mo) und hat eine mit Mo vergleichbare Wärmeleitfähigkeit. Das besondere von SiC ist die große Thermoschockbeständigkeit; diese resultiert aus der günstigen Kombination von thermischer Ausdehnung, Elastizitäts-Modul, Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherkapazität. Anstelle von SiC eignen sich auch andere, ähnliche Werkstoffe, beispielweise Si3N4, in ähnlicher Weise.
-
Auf die Tellerscheibe B wird mit Formschlusselementen C ein Anodenring D aufgelötet. Dieser Ring ist vorzugsweise aus Graphit – evtl. aus Hochleistungsgraphit mit der Bruchfestigkeit 80 MPa. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann er auch aus Silizium-Carbid (SiC) bestehen.
-
Der Ring D enthält vorzugsweise radial orientierte Rechteck-Kammern, in die Pyrographit-Plättchen E eingesteckt werden. Die Wärmeleitverbindung von E zum Ringmaterial D und zur Tellerscheibe C erreicht man in einem Lötvorgang. Auf dieses Verbundbauteil wird anschließend – vorzugsweise mit Vakuum-Plasma-Spritzen – eine Röntgenstrahlen erzeugende Schicht F, vorzugsweise aus Wolfram (W) oder einer Wolfram-Rhenium-Legierung (WRe), aufgebracht.
-
Die Bildung von Kammern, in die die Pyrographit-Plättchen E eingelegt werden (entweder einzeln oder mehrere zusammen), ist sehr hilfreich, denn die Pyrographit-Plättchen E dehnen sich in ihrer Tafelebene zwar nicht thermisch aus, in Dickenrichtung der Tafelebenen ist die Ausdehnung aber mit ca. 24 mal 10–6 K–1 extrem hoch. Wegen dieses großen Wertes und wegen dieses anisotropen Verhaltens sind kompakte Körper nicht sehr stabil bei Temperaturwechsel.
-
Der Vorteil der beschriebenen Ausführung liegt darin, dass direkt unter der Brennfleckbahn das thermisch extrem hoch leitende Pyrographit liegt. Dessen Wärmeleitfähigkeit ist mit 1600 W/(m·K) bei Raumtemperatur 12-mal so groß wie diejenige von Molybdän (Mo) – also dem Werkstoff, der sonst üblicherweise direkt unter der Brennbahn wäre.
-
Zwar nimmt die Wärmeleitfähigkeit von Pyrographit mit zunehmender Temperatur ab – ist aber bei 800°C immer noch 3,5-mal höher als diejenige von Molybdän (Mo) bzw. TZM.
-
Zur Reduzierung der eingefrorenen Wärmespannungen aus dem Lötprozess kann man gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung Schlitze G einbringen, die nicht durchgängig sein müssen, sondern auch versetzt angeordnet sein können.
-
Zur Reduzierung der aus dem Betrieb entstehenden Wärmespannungen kann es sinnvoll sein, in radialer Richtung oder leicht schräg dazu Schlitze einzubringen (in den Graphit und/oder ins SiC).
-
Ausführliche Versuche haben folgendes zum Festigkeits- und Machbarkeitsnachweis der Erfindung ergeben: Nimmt man in 1 einen Außen-Durchmesser von 200 mm und einen Innen-Durchmesser von 140 mm für den Graphitring D an, und nimmt man eine mittlere Dichte von 2 kg/dm3 für die Bauteile D und E zusammen an, dann erhält man bei einer Umdrehungszahl von 200 Hz eine Umfangsspannung von 28 MPa im Graphitring D. Dies ist ein sehr akzeptabler Wert bei einer Bruchfestigkeit von 50 MPa des Standardgraphits.
-
Zum Vergleich: Ein herkömmlicher Anodenteller mit Innen-Durchmesser 120 mm und Außen-Durchmesser von 200 mm, einer Brennbahn aus Wolfram (W), sei 1 mm dick; darunter befinde sich eine Schicht aus 6 mm Mo und darunter 30 mm herkömmlicher Graphit. Die Starttemperatur des Tellers sei 1000 K, die Drehzahl 200 Hz, die elektrische Brennfleckgröße sei 8 × 1 mm2 (elektrisch), die angestrebte Belastung sei 100 kW mit einer Dauer von 1 Sekunde.
-
Eine Modellrechnung liefert dann folgendes Ergebnis nach einer Sekunde Belastung:
- – die Brennfleckspitzentemperatur ist 2915 K. Die obere Belastungsgrenze ist aber ca. 2400 K. Hier ist also eine dramatische Überbeanspruchung von 500 K vorhanden.
- – Der Temperaturverlauf entlang des Materials von der Brennbahn hin zum Graphit ergibt sich nach 1 Sekunde dergestalt, dass am Übergang von W zu Mo ca. 1700 K anliegen und am Übergang Mo zum Graphit 1200 K.
-
Bei einem Temperaturgefälle von 1700 K an einem Übergang zu Mo bzw. TZM führt die Temperaturwechselbeanspruchung erfah- rungsgemäß zu baldiger Rissbildung.
-
Ein erfindungsgemäßer Drehteller könnte wie folgt aussehen:
Zuerst kommt eine 1 mm starke Schicht aus Wolfram (W) als Brenn- bahn. Darunter liege eine 20 mm starke Schicht aus Pyrographit in axialer Richtung mit der für dieses Material typischen temperaturabhängigen Wärmeleitfähigkeit. Die Schicht aus Pyrographit sei für diese Rechnung 30 mm in radialer Richtung breit. Darunter kommen 5 mm SiC mit einer Wärmeleitfähigkeit von 100 W/m·K (als unabhängig von der Temperatur unterstellt) und einer temperaturabhängigen spezifischen Wärme von 0,7 J/g·K bei RT bis 1,3 J/g·K bei 1000°C und einer Dichte von 3,21 g/cm3.
-
Unterwirft man diesen, einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden Anodendrehteller der entsprechenden Modellrechung, ergibt sich folgendes Ergebnis: Die Brennnfleckspitzentemperatur beträgt nur noch 2509 K. Man hat also einen Gewinn in der Temperaturabsenkung von 400 K. Der Temperaturverlauf entlang des Materials von der Brennbahn hin zum Graphit ist nach 1 Sekunde so, dass am Übergang vom W zum Pyrographit nur noch 1400 K anliegen und am Übergang vom Pyrographit zum SiC ca. 1020 K. Dies sind Temperaturwerte, die sowohl für SiC als auch Mo/TZM auch beim Vorhandensein normaler Spannungen keine Gefahr darstellen.
-
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform eines leichten und kriechbeständigen Anodendrehtellers stellt folgende Ausführung dar: Die beispielhaft errechneten Belastungsdaten zeigen, dass durch die neue Werkstoffabfolge und durch den neuen Werkstoffeinsatz von Pyrographit die Betriebstemperatur der Tellerscheibe im Bereich unterhalb der Brennbahn relativ niedrig bleibt. Dies eröffnet die Möglichkeit, trotz der hohen Belastungen auch den üblichen Werkstoff TZM einzusetzen.
-
Erfahrungen mit der Temperaturbeanspruchung bei handelsüblichen Anodendrehtellern lassen den Schluss zu, dass die Kriechdaten des Materials TZM ausreichen um zu erreichen, dass die Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Anodendrehtellers im Bereich der Nutzungsdauer des Gerätes beim Kunden liegt.