In medizinischen Röntgenröhren, welche für die diagnostische Bildgebung verwendet werden, werden Röntgenstrahlen im Brennpunkt der Anode durch das Abbremsen der auftreffenden Elektronen erzeugt.
Ein Großteil der Energie der Elektronen wird jedoch im Brennpunkt der Anode in Wärme übergeführt, was zu extrem hohen Temperaturen führen kann.
Bei modernen Hochleistungsdrehanonden werden Temperaturen von mehr als 1500 °C mit zusätzlichen Mikrosekunden langen Temperaturhüben von weiteren 1000 °C – 1500 °C erreicht.
Wolfram-Rhenium-Legierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden thermo-physikalischen Eigenschaften und ihrer Eignung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen seit vielen Jahren im Brennpunkt von Drehanonden eingesetzt. Der ausgelöste Thermoshock und die thermische Ermüdung im Brennpunkt aufgrund der wiederholten thermischen Belastung führen zu einer Schädigung der Anodenoberfläche durch Rissbildung und teilweises Aufschmelzen.
Diese Oberflächenmodifikationen verändern die emittierten Röntgenstrahlen und gefährden die Betriebsstabilität der Röntgenröhre. Folglich ist die maximale Röntgenleistung aktueller Hochleistungsröntgenröhren teilweise durch die thermische Belastbarkeit des Brennflecks beschränkt.
Das Hauptziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Einflusses von anodentypischer thermischer Belastung auf die Oberflächenschädigung von Wolfram-Rhenium-Legierungen mit unterschiedlichen Mikrostrukturen. Zusätzlich konnte der Einfluss der Oberflächenschädigung auf die emittierte Röntgenstrahlung aufgezeigt werden.
Mikrostruktur- und fraktographische Untersuchungen mittels Licht-, Laser- und Elektronenmikroskopie bildeten die breite Grundlage dieser Aufgabe. Die Finite-Elemente-Modellierung ermöglichte die Vorhersage von Temperaturen, thermischen Spannungen und Dehnungen der durchgeführten Materialtests und deren Vergleich mit der thermischen Situation von Drehanoden. Die Materialtests umfassten die Belastung mit Elektronenstrahlen in einer herkömmlichen Elektronenstrahlschweißanlage und das Testen von Stehanoden. Für die Stehanodentests wurde ein neuartiges Testsystem entwickelt und in Betrieb genommen.
Werkstoffe mit kolumnarer Mikrostruktur oder synthetischen Oberflächenmodifikationen zeigten ein signifikant verbessertes thermisches Ermüdungsverhalten. Der positive Effekt wurde auf die frühe Bildung orientierter und stabiler Rissnetzwerke zurückgeführt, die eine weitere Verformung und Erosion der Oberfläche verhinderten.
Bei Werkstoffen mit einer orientierten Mikrostruktur führte die Rekristallisation und das damit verbundene Verschwinden oder Abschwächen der bevorzugten Kornorientierung zu einem Verlust der vorteilhaften Effekte. Es wurde festgestellt, dass die Rekristallisationstiefe stark von der Wärmeeindringtiefe abhängt, die sich zwischen den verwendeten Testmethoden stark unterschied. Zusätzlich zeigten die getesteten Proben dynamische Rekristallisation an der Oberfläche, die durch die zyklische plastische Verformung während der wiederholten thermischen Belastung ausgelöst wurde.
Die Oberflächenmorphologie im Brennfleck zeigte eine direkt proportionale Relation mit der gemessenen Röntgenleistung. Insbesondere die Bildung von lokalen Aufschmelzungen erwies sich als nachteilig, wenn eine hohe Röntgenleistung angestrebt wird. Dies unterstreicht weiter den entscheidenden Faktor der Rissausbreitung unter der Oberfläche, der als Hauptverursacher der lokalen Überhitzung und des lokalen Aufschmelzens festgestellt wurde. Es konnte auch die Bedeutung der Ausrichtung synthetischer und orientierter Oberflächenmodifikationen zum Detektor aufgezeigt werden.
Diese Arbeit schafft es, die thermische Belastung, das Materialverhalten und die Reduzierung der emittierten Röntgenleistung moderner Hochleistungsdrehanoden miteinander zu verknüpfen. Die treibenden Faktoren der Oberflächenschädigung werden aufgezeigt und es werden.