專利名稱：旋轉(zhuǎn)陽極和用于制造旋轉(zhuǎn)陽極用的基體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的X射線管用的旋轉(zhuǎn)陽極以及根據(jù)權(quán)利要求4的前序部分的用于制造這樣的旋轉(zhuǎn)陽極用的基體的方法。
背景技術(shù)：
X射線管，如在例如醫(yī)學(xué)X射線設(shè)備中使用的X射線管，包括陰極，從該陰極電子朝向旋轉(zhuǎn)陽極加速。旋轉(zhuǎn)陽極包括基體，該基體攜帶有所謂的由鎢或鎢-錸合金制備的聚焦通路(focal path, Brennbahn),其形成實(shí)際的陽極。當(dāng)充分加速的電子轟擊聚焦通路時(shí)，聚焦通路的原子因此被激發(fā)從而模仿所需波長(zhǎng)的X射線。通過旋轉(zhuǎn)陽極的旋轉(zhuǎn)，在此保持熱負(fù)荷(thermische Belastung)盡可能地小。由于期望福射強(qiáng)度越來越大，特別是針對(duì)X射線斷層照相術(shù)而言，電子的焦斑(Brennfleck)應(yīng)該盡可能尖銳地聚焦在聚焦通路上并且盡可能地小，這導(dǎo)致焦斑區(qū)域的能量密度高以及由此引起溫度特別高。為了進(jìn)行補(bǔ)償，需要旋轉(zhuǎn)陽極具有特別高的轉(zhuǎn)數(shù)。已知的旋轉(zhuǎn)陽極包括由鈦-鋯-鑰合金制備的基體，所述合金具有相對(duì)高的密度以及具有相對(duì)小的高溫強(qiáng)度。基于該基體的機(jī)械性能，目前的旋轉(zhuǎn)陽極僅可以實(shí)現(xiàn)200Hz至250Hz的旋轉(zhuǎn)頻率。除了這種鈦-鋯-鑰基體之外，還已知有陶瓷材料基體。例如US 20100027754記載了陽極環(huán)形式的基體用 于以旋轉(zhuǎn)陽極，其由石墨或碳化硅制成。陽極環(huán)還包括徑向取向的方形腔室，可將熱解碳的小片段插入其中以盡可能快地導(dǎo)出和儲(chǔ)存所產(chǎn)生的熱量。還已知鑰-鈦-鋯合金和碳化硅的組合。但是，通過這些類型的材料不能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代X射線設(shè)備中所需的高旋轉(zhuǎn)頻率。因此，本發(fā)明的目的在于給出根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的旋轉(zhuǎn)陽極，所述旋轉(zhuǎn)陽極特別為耐熱的以及允許300Hz至400Hz范圍的旋轉(zhuǎn)頻率。本發(fā)明的目的還在于給出用于制造這種類型的旋轉(zhuǎn)陽極用的基體的方法。所述目的通過具有權(quán)利要求1的特征的旋轉(zhuǎn)陽極以及具有權(quán)利要求4的特征的方法而實(shí)現(xiàn)。這種類型的X射線管用的旋轉(zhuǎn)陽極包括陶瓷基體，該陶瓷基體攜帶有在電子照射期間發(fā)射X射線的聚焦通路。為此本發(fā)明提供了由碳化硅和至少一種耐高溫二硼化物的混合物制成的基體。在此特別有利地使用二硼化鈦、二硼化鉭、二硼化鋯以及二硼化鉿。所述二硼化物屬于超高溫材料的材料類別以及具有大于3000° C的熔點(diǎn)。這種類型的基體因此可以抵抗在旋轉(zhuǎn)陽極運(yùn)行期間特別高的熱應(yīng)力。同時(shí)，這種類型的混合碳化硅-二硼化物陶瓷具有非常高的熱容量，從而基體可以在旋轉(zhuǎn)陽極的運(yùn)行期間吸收大量能量。另外，即使在高溫范圍內(nèi)，這種類別的材料也保持高熱導(dǎo)性，從而可以在運(yùn)行期間很好地分布熱量以及不會(huì)發(fā)生變形。同時(shí)，這樣的混合陶瓷具有的熱膨脹系數(shù)在鎢的熱膨脹系數(shù)的范圍內(nèi)，因此在基體和聚焦通路之間不會(huì)形成應(yīng)力。
另一優(yōu)勢(shì)在于基于二硼化物的陶瓷的強(qiáng)度的溫度依賴性。在1000° C至1500° C的溫度范圍(該溫度范圍與這種旋轉(zhuǎn)陽極的運(yùn)行特別相關(guān))中，這些陶瓷的強(qiáng)度甚至隨著溫度的增加而增加。常見的基于二硼化物的陶瓷在這個(gè)溫度范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)450Mpa至550Mpa的強(qiáng)度值。與此形成對(duì)比，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的鑰-鈦-鋯合金在該溫度范圍內(nèi)具有減小的強(qiáng)度，因此在高轉(zhuǎn)數(shù)條件下由這種類型的已知材料制備的基體會(huì)發(fā)生機(jī)械故障。這通過本發(fā)明的基于二硼化物的陶瓷得以避免，從而可以在聚焦通路上的電子照射的焦斑中實(shí)現(xiàn)特別高的轉(zhuǎn)數(shù)和由此特別高的能量密度。至少一種二硼化物的含量有利地為基體總體積的I至50體積％，可以根據(jù)所需的熱膨脹系數(shù)改變二硼化物含量以匹配聚焦通路材料。本發(fā)明還涉及用于制造X射線管的旋轉(zhuǎn)陽極用的基體的方法，在該方法中將耐高溫陶瓷粉末壓制入負(fù)模(Negativform)中并接著進(jìn)行燒結(jié)。根據(jù)本發(fā)明，使用的是包含碳化硅和至少一種耐高溫二硼化物的混合物的陶瓷粉末。如已經(jīng)借助于本發(fā)明旋轉(zhuǎn)陽極所說明的，在此有利地特別使用二硼化鈦、二硼化鉭、二硼化鋯或二硼化鉿。二硼化物可以單獨(dú)使用或以混合物形式使用。在此體積含量有利地為I至50體積％。這種類型的基于二硼化物的混合陶瓷的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在本發(fā)明旋轉(zhuǎn)陽極的討論中進(jìn)行了說明，因此在這里不再重復(fù)。在2000。C 至 2300。C 的無壓燒結(jié)(pressureless sintering)、在 2000。C 至2300。C的火花等離子體 燒結(jié)(spark plasma sintering)或在1700° C至2300° C的熱等靜壓(hot isostatic pressing)特別適用于這種類型的燒結(jié)陶瓷。特別穩(wěn)定的陶瓷基體可以通過所有所述方法再現(xiàn)和可靠地進(jìn)行制造。在下文中借助示例性實(shí)施方式更詳細(xì)地對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。為了產(chǎn)生同時(shí)具有特別高的耐熱性和高機(jī)械強(qiáng)度的X射線管用的旋轉(zhuǎn)陽極，并且其能夠經(jīng)受最高達(dá)400Hz的旋轉(zhuǎn)頻率，由碳化硅和耐高溫二硼化物制備的混合陶瓷是特別合適的。以下示例性實(shí)施方式將共同地對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明1.碳化硅，其具有I至50體積％的二硼化鈦2.碳化硅，其具有I至50體積％的二硼化鉿3.碳化硅，其具有I至50體積％的二硼化鋯4.碳化硅，其具有I至50體積％的二硼化鉭5.碳化硅，其具有二硼化鈦、二硼化鉿和二硼化鋯的混合物，總體積含量為廣50
體積％。在混合陶瓷中的二硼化物的熱膨脹系數(shù)大于碳化硅的熱膨脹系數(shù)，后者在1000。(^4.5.10- '通過將二硼化物添加至碳化硅，從而存在提高混合陶瓷的熱膨脹系數(shù)和匹配相應(yīng)條件的可能性。所述二硼化物也具有高的熱容量CP(1500° 0，為大于0.851/&1()，這在旋轉(zhuǎn)陽極的運(yùn)行期間是有利的，因?yàn)槊總€(gè)X射線循環(huán)(R0ntgenzyklus)需要吸收大量能量。此外，這種類別的材料的特征之一是，即使在高溫的范圍也具有高熱導(dǎo)性。很多材料在溫度增加時(shí)顯示熱導(dǎo)性的明顯減小，而二硼化物在500° C至2000° C的溫度范圍具有幾乎恒定的熱導(dǎo)性行為，其中它們的熱導(dǎo)性λ大于75W/mK。在二硼化鈦的情況中甚至可以觀察到熱導(dǎo)性的明顯增加。這對(duì)X射線運(yùn)行中的旋轉(zhuǎn)陽極的熱量散逸具有積極影響。
當(dāng)選擇碳化硅和具體的二硼化物之間的混合比例時(shí)，首先期望使旋轉(zhuǎn)陽極的陶瓷基體的熱膨脹系數(shù)匹配聚焦通路的熱膨脹系數(shù)，通常聚焦通路由鎢和5%或10%合金化的錸制成。有利的是實(shí)現(xiàn)5. 2 6 · KT6IT1的熱膨脹系數(shù)(Ausdehnungskoeffizient)。通過匹配熱膨脹系數(shù)以避免加熱期間在陶瓷基體材料和聚焦通路材料之間形成應(yīng)力。所述應(yīng)力最終會(huì)導(dǎo)致聚焦通路的剝落。也可以選擇混合比例，使得比熱容Cp足夠大以吸收X射線循環(huán)期間引入旋轉(zhuǎn)陽極中的能量。在此通?？梢詫?shí)現(xiàn)的數(shù)值為約1.1J/(gK)，盡管這未達(dá)到石墨或熱解石墨的熱容量(CP>1.9J/(gK))，但比鈦-鋯-鑰合金的比熱容(通常為約O. 25J/(gK))大得多。所述陶瓷的另一優(yōu)勢(shì)在于比常見材料(鑰-鈦-鋯或熱解石墨)得到的顯著改善的熱導(dǎo)性。與這些材料形成對(duì)照，這樣的混合陶瓷的熱導(dǎo)性即使在1000° C至1500° C的溫度范圍也保持恒定，碳化硅基體約為60W/mK，或嵌入的二硼化物為75W至80W/mK。這確保了在X射線運(yùn)行期間熱量的穩(wěn)定輸出以及抑制了熱量的生成。所述陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度比常規(guī)材料也得以顯著改善。在常規(guī)旋轉(zhuǎn)陽極上的測(cè)試顯示，由于鑰-鈦-鋯材料的密度高且在1000° C至1500° C的溫度范圍在大于250Hz的旋轉(zhuǎn)頻率下強(qiáng)度損失大，旋轉(zhuǎn)陽極會(huì)發(fā)生災(zāi)難性故障。機(jī)械計(jì)算證實(shí)了這種故障形成。在另一方面，由碳化硅和添加的二硼化物制成的旋轉(zhuǎn)陽極在增高的溫度下顯示恒定或甚至增加的強(qiáng)度值。在1000° C至1500° C的溫度范圍可以實(shí)現(xiàn)450Mpa至550Mpa的強(qiáng)度值。這種高強(qiáng)度與碳化硅-二硼化物混合陶瓷的低密度相結(jié)合，使得旋轉(zhuǎn)陽極的旋轉(zhuǎn)頻率可以顯著增加至300Hz至400Hz之間，并且還允許旋轉(zhuǎn)陽極具有顯著更大的盤形直徑(Scheibend urchmesser)的設(shè)計(jì)方案。
權(quán)利要求
1.X射線管用的旋轉(zhuǎn)陽極，其具有陶瓷基體，該陶瓷基體攜帶有在電子照射期間發(fā)射X射線的聚焦通路，其特征在于， 所述基體由碳化硅和至少一種耐高溫二硼化物的混合物制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的旋轉(zhuǎn)陽極， 其特征在于， 所述至少一種二硼化物選自包括下列的組TiB2、TaB2, ZrB2和HfB2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的旋轉(zhuǎn)陽極， 其特征在于， 所述至少一種二硼化物的含量為所述基體總體積的廣50體積％。
4.用于制造X射線管的旋轉(zhuǎn)陽極用的基體的方法，在該方法中將耐高溫陶瓷粉末壓制入負(fù)模中并接著進(jìn)行燒結(jié)， 其特征在于， 使用包含碳化硅和至少一種耐高溫二硼化物的混合物的陶瓷粉末。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法， 其特征在于， 所述至少一種二硼化物選自包括下列的組TiB2、TaB2, ZrB2和HfB2。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的方法， 其特征在于， 所述至少一種二硼化物以廣50體積％的量加入所述陶瓷粉末中。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)的方法， 其特征在于， 燒結(jié)以200~2300℃的無壓燒結(jié)、2000-2300°C的火花等離子體燒結(jié)或1700-2300°C的熱等靜壓進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及X射線管用的旋轉(zhuǎn)陽極，該旋轉(zhuǎn)陽極具有陶瓷基體，所述陶瓷基體攜帶有在電子照射期間發(fā)射X射線的聚焦通路，其中所述基體由碳化硅和至少一種耐高溫二硼化物的混合物制成。
文檔編號(hào)H01J35/10GK103050357SQ20121034510
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者J.弗羅伊登伯格, S.蘭朋舍夫, G.K.帕姆, S.沃爾特 申請(qǐng)人:西門子公司