Thermocyclic Fatigue Prevention in X-ray Anode Conversion Layers - Surface Engineering and Processing Approaches

Fortschritte in der modernen Medizin, vorangetrieben durch innovative Diagnosetechniken, ermöglichen die effektive Behandlung oder Heilung vieler Krankheiten, welche einst als unheilbar galten. Nicht-invasive Techniken, insbesondere die Computertomographie und die Magnetresonanztomographie, ermöglichen eine präzise Erkennung physischer Veränderungen innerhalb des menschlichen Körpers. CT-Scanner nutzen Röntgenstrahlen, die von einem rotierenden Gantry aus emittiert werden, um eine dreidimensionale Rekonstruktion aus mehreren Einzelblickwinkeln zu errechnen. Um qualitativ hochwertige Abbildungen zu erzielen, müssen die einzelnen Belichtungszeiten kurz sein, was eine hohe Strahlungsenergie bedingt.
Dieser Bedarf an hochenergetischen Röntgenstrahlen führt zu einem erheblichen Leistungseintrag in die Drehanode, welche Röntgenphotonen durch die Abbremsung eines Elektronenstrahls emittiert, auch bekannt als Bremsstrahlung, sowie durch charakteristische Strahlung. Dutzende Kilowatt werden auf eine kleine Fläche konzentriert, was zu einer enormen Erwärmung der Anodenoberfläche führt. Die Anode rotiert mit bis zu 200 Hz, um diesen Energieeintrag zu verteilen und ein rapides Überhitzen zu verhindern, wodurch ihre WRe-Oberflächenschicht einer erheblichen thermischen Zyklierung ausgesetzt ist. Die resultierende Grundtemperatur kann bis zu 1500 °C betragen, mit zusätzlichen Temperaturspitzen von 1000 °C bei jedem Durchgang unter dem stationären Elektronenstrahl.
Solche thermischen Zyklen führen zu Oberflächenermüdung, die sich als Aufrauhung, thermische Ermüdungsrisse, Thermoschockrisse, sowie lokale Anschmelzungen oder Ausbrüche manifestiert. Diese wirken selbstfiltrierend auf die emittierten Röntgenstrahlen, was zu einer reduzierten Strahlungsausbeute und verminderten Bildqualität führt. Im Laufe der Zeit kann dies den kostspieligem Austausch der Strahlungsquelle aufgrund unzureichender Röntgenintensität oder betrieblicher Instabilität bedingen.
Die vorliegende Arbeit untersucht einen neuartigen Ansatz zur Verlängerung der Lebensdauer von Röntgenanoden, da die aktuell eingesetzten Materialien an ihre physikalischen Grenzen stoßen. Durch die Bereitstellung von Freiräumen für ungehinderte, thermische Ausdehnung — ähnlich den Dehnungsfugen in zivilen Bauwerken wie Brücken — kann die Ausbildung zyklischer Spannungen gemildert werden. Spezialisierte Versuchsabläufe wurden entwickelt, um durch den Beschuss eines Elektronenstrahls gezielt Thermoschockrisse und thermozyklische Ermüdung in W10Re-Legierungen mit zwei unterschiedlichen Mikrostrukturen hervorzurufen. Deutliche Unterschiede in deren Materialantwort wurden beobachtet, welche auf die mikrostrukturellen Charakterisitika zurückgeführt werden konnten. Darüber hinaus wurden durch künstliche Oberflächenstrukturierung mittels Femtosekunden-Laserablation hochkontrollierte Prüfgeometrien bereitgestellt.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine vorhergehende Risseinbringung oder Vorstrukturierung die Ermüdungsbeständigkeit durch Aufnahme der thermischen Ausdehnung verbessert. Die Untersuchungen zeigen weiters Einschränkungen auf, die durch die Mikrostruktur oder die Dimensionen der Oberflächenmodifikationen begründet sind. Finite Elemente Simulationen und eine eingehende mikrostrukturelle Charakterisierung ergänzten die experimentellen Daten und lieferten Einblicke in das Zusammenspiel von Material, Temperatur, mechanischer Belastung, und deren Einfluss auf die Schadensentwicklung. Diese Arbeit zielt darauf ab, das Verständnis zur Prävention thermozyklischer Ermüdung in Röntgenanoden zu erweitern und die industrielle Einführung dieser neuartigen Konzepte zu unterstützen.