Disco de ánodo giratorio de rayos X y procedimiento para su fabricación.

Disco de ánodo giratorio de rayos X con un cuerpo base, caracterizado porque dicho cuerpo base contiene nanotubos de carbono en una distribución espacial casi homogénea que asegura las características esencialmente isótropas del cuerpo base en la zona submacroscópica.

Disco de ánodo giratorio de rayos X y procedimiento para su fabricación [0001] La invención se refiere a un disco de ánodo giratorio de rayos X y un procedimiento para su fabricación, donde el disco de ánodo giratorio de rayos X presenta un cuerpo base. Este cuerpo base, el cual posee una capa aplicada o un cuerpo insertado de material activo para rayos X con la trayectoria focal, por ejemplo de una aleación de wolframio y renio con entre un 5% y un 10% en masa de renio, tiene la función de conferir a la construcción total la resistencia necesaria y desviar la energía térmica originada en la producción de radiación X durante la transformación energética de radiación de electrones. Junto con la desviación de la energía térmica, el material del cuerpo base depende sobre todo de tales valores, como la capacidad térmica, la conductividad térmica, la transmisión térmica y la adaptación de la dilatación térmica entre o del material activo para rayos X y el cuerpo base.

Los requisitos para la capacidad de carga térmica y mecánica del disco de ánodo giratorio de rayos X aumentan continuamente. Actualmente, en el caso de los tubos de rayos X de alta potencia pueden presentar temperaturas de más de 3000 °C en el trayecto focal electrónico. Para una mejor distribución de energía, el disco rota a 9.000 min-1; se planea un número de revoluciones de 15.000 min-1 y mayor. Con el mismo objetivo, el diámetro del disco de ánodo giratorio ya se encuentra actualmente en 200 mm y se planean 300 mm. La resistencia del material del cuerpo base debe considerar este hecho.

Se conocen (DE 33 03 529 A1) desde hace mucho tiempo los discos de ánodo giratorio de rayos X con un cuerpo base de una aleación de molibdeno, como por ejemplo molibdeno con adiciones de titanio, circón y carbono ("TZM") . En este caso, con un número de revoluciones alto del disco de ánodo giratorio se altera la alta densidad del componente principal de molibdeno de 10, 2 g/cm3 en el cuerpo base. Los discos de ánodo giratorio de rayos X de este tipo pueden alcanzar una masa de más de 5 kg. En especial en las tomografías computarizadas, la rotación del disco de ánodo giratorio de rayos X en el tubo de rayos X todavía se sobrepone a la traslación y la rotación de todo el sistema, en el cual se halla el tubo de rayos X, de modo que aparecen fuerzas centrífugas descontroladas en varias direcciones. No se deben subestimar tampoco los enormes costes de material de las construcciones metálicas descritas.

En el caso de la capacidad térmica dada, la densidad y, con ella también, la masa de grafito son más pequeñas, por lo cual también se han dado a conocer (DE 32 38 352 A1) discos de ánodo giratorio de rayos X añadidos con un cuerpo base de grafito. Debido a la microestructura de grafito a modo de capa, su resistencia es completamente insuficiente en caso de un número de revoluciones alto. Esto es válido también para cuerpos base de grafito, los cuales han sido previstos, por ejemplo, mediante pulverización de plasma de vacío con una capa activa para rayos X de wolframio y renio.

Las resistencias del cuerpo base tanto con base de molibdeno como también de grafito son limitadas, de modo que en las cargas térmicas y mecánicas mencionadas anteriormente existe el riesgo real de destrucción o deterioro.

Por último, también se conocen cuerpos base para el caso de aplicación citado de grafito reforzado con fibras. Preferiblemente se utilizan fibras de carbono, donde mediante la disposición espacial de las fibras o entramados de fibras se debe alcanzar, por ejemplo, una adaptación de los coeficientes de dilatación térmica del cuerpo base a aquel del material activo para rayos X aplicado (DE 103 01 069 A1) o una alta dilatación térmica en dirección radial junto con una alta conductividad térmica en dirección axial (DE 196 50 061 A1) . Bien es verdad que las fibras de carbono mencionadas poseen una buena conductividad térmica en la dirección de las fibras, así como muy buenas características de resistencia, pero en vertical estas características de las dimensiones son peores. En la última solución técnica mencionada se ha intentado restringir esta anisotropía mediante un entretejido tridimensional de las fibras de carbono, sin embargo el material permanece anisotrópico en el rango micrométrico de dos cifras.

Un material reciente a base de carbono son los llamados nanotubos de carbono (del inglés, "carbon nano tubes"

o "CNT") , cuyo desarrollo técnico se ha descrito desde los inicios de forma muy gráfica en el apartado "antecedentes de la invención" de la traducción de la Patente Europea DE 695 32 044 T2, donde la invención descrita en esta patente con capas funcionales eficaces químicamente en los nanotubos de carbono se refiere a otro objeto de la invención completamente diferente a la presente invención.

Mientras que en el grafito convencional los átomos de carbono están dispuestos como una superficie en disposición hexagonal en planos individuales, en los nanotubos de carbono dichas configuraciones hexagonales están cerradas en forma de tubo, por lo cual se obtienen unas excelentes características mecánicas eléctricas y térmicas. Como expresa la palabra "nano", los diámetros de estos nanotubos de carbono se encuentran en la gama manométrica; según el origen se habla de 0, 4 nm hasta 50 nm o 100 nm.

La densidad aparente de estos nanotubos de carbono se encuentra conforme a las indicaciones del fabricante en el margen de tamaño de 0, 15 g/cm3, la densidad material se indica con 1, 3 g/cm3 hasta 1, 4 g/cm3, la cual se encuentra notablemente por debajo de la del grafito. Para la resistencia se cita un valor teórico de 45 GPa, el cual sería aproximadamente veinte veces de acero y doscientas veces del material del cuerpo base TZM mencionado con anterioridad. La conductividad térmica teórica asciende a 6000 W/mK y, de este modo, sobrepasa con el doble a la de

los diamantes y al menos en un orden de magnitud a la del conductor térmico metálico.

También se han divulgado aplicaciones de nanotubos de carbono junto con tubos de rayos X. En este caso se trata en general de nanotubos de carbono alineados de forma absolutamente paralela.

De este modo se conoce un cátodo para un tubo de rayos X, en el cual se disponen los nanotubos de carbono sobre una placa con potencial negativo para obtener una superficie catódica de pequeñas dimensiones y, como emisor, emiten electrones a un objetivo de cobre del lado opuesto (resumen de la patente japonesa 2005166565) .

En otro cátodo para tubos de rayos X, estos están dispuestos detrás de una rejilla de control y sirven para la realización de una cátodo con superficie de emisión ajustable (resumen de la patente japonesa 2006086001) .

También se ha divulgado una solución técnica, en la cual hay dispuesto un "bosque" o un "arbusto de pelo" de fibras de carbono verticales, paralelas y buenas conductoras de calor sobre una capa activa para rayos X (por lo tanto, sobre la superficie objetivo de los electrones) de ánodos de rayos X, no tratándose expresamente de nanotubos de carbono (US 5, 943, 389) . Además de la disipación de calor a través del cuerpo base, el objetivo de esta disposición consiste en desviar el calor mediante estas fibras de carbono.

Además se conoce un ánodo de rayos X, sobre cuya superficie objetivo de los ánodos hay dispuestos nanotubos de carbono preferiblemente en forma de un tejido, para reprimir la formación de electrones secundarios, así como la creación de plasma o la liberación de gases neutros (WO 03/043036 A1) .

Del estado de la técnica para la presente invención se conocen finalmente también cuerpos base para ánodos giratorios de rayos X, en cuyas fibras de carbono preferiblemente nanotubos de carbono se almacena en cobre (DE 102005039187) o en titanio (DE 102005039188) para mejorar la disipación del calor. El cobre tiene el inconveniente de que su punto de fusión para potencias altas de disipación del calor es demasiado bajo; el titanio, así como el cobre, tiene el inconveniente de que con la temperatura de aplicación con el carbono existente se tiende a la formación de carburo.

Recientemente se han divulgado también nanopartículas de carbono con estructura de grafito y configuración esencialmente esférica con un tamaño del grano intermedio de, por ejemplo, 55 nm (publicación empresarial de la compañía Auer-Remy GmbH, Hamburgo "Nanopowders", posición "C 1249YD 7440-44-0") . Además de las características ventajosas de las nanopartículas de carbono del presente contexto, con partículas esféricas con sus mismas dimensiones en todas las direcciones del eje, el hecho de lograr una repartición espacial que asegure características... [Seguir leyendo]

1. Disco de ánodo giratorio de rayos X con un cuerpo base, caracterizado porque dicho cuerpo base contiene nanotubos de carbono en una distribución espacial casi homogénea que asegura las características esencialmente isótropas del cuerpo base en la zona submacroscópica.

2. Disco de ánodo giratorio de rayos X según la reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo base contiene del 10% en masa hasta el 90% en masa de nanotubos de carbono.

3. Disco de ánodo giratorio de rayos X según la reivindicación 2, caracterizado porque el cuerpo base contiene del 50% en masa hasta el 70% en masa de nanotubos de carbono.

4. Disco de ánodo giratorio de rayos X según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la proporción de los nanotubos de carbono varía por capas y/o de forma continua en la dirección del eje.

5. Disco de ánodo giratorio de rayos X según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque a los cuerpos base se le han añadido los compuestos siguientes para aumentar la resistencia y mejorar la conductividad térmica: óxidos, nitruros, boruros, carburos, siliciuros de tántalo, niobio, cromo, silicio, molibdeno, hafnio, boro y/o wolframio o mezclas de los mismos.

6. Disco de ánodo giratorio de rayos X según la reivindicación 5, caracterizado porque los compuestos se presentan en tamaños de grano de la escala manométrica.

7. Disco de ánodo giratorio de rayos X según la reivindicación 6, caracterizado porque el tamaño medio del grano de los compuestos va de 40 nm a 200 nm.

8. Disco de ánodo giratorio de rayos X según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque los compuestos constituyen del 4% de volumen hasta el 80% de volumen del cuerpo base.

9. Disco de ánodo giratorio de rayos X según la reivindicación 8, caracterizado porque los compuestos constituyen del 20% de volumen hasta el 40% de volumen del cuerpo base.

10. Disco de ánodo giratorio de rayos X según una de las reivindicaciones 5 hasta 9, caracterizado porque la proporción de compuestos según la reivindicación 5 varía por capas o de forma continua en la dirección del eje.

11. Disco de ánodo giratorio de rayos X según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la dirección del eje de los nanotubos de carbono individuales difiere de la línea recta.

12. Disco de ánodo giratorio de rayos X según la reivindicación 11, caracterizado porque la dirección del eje de los nanotubos de carbono individuales se extiende de forma angular.

13. Disco de ánodo giratorio de rayos X según la reivindicación 1 a 12, caracterizado porque los nanotubos de carbono poseen paredes múltiples.

14. Disco de ánodo giratorio de rayos X según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la longitud y el diámetro de los nanotubos de carbono no se diferencian mas que en el factor 10.

15. Disco de ánodo giratorio de rayos X según la reivindicación 14, caracterizado porque la longitud y el diámetro de los nanotubos de carbono no se diferencian mas que en el factor 3.

16. Disco de ánodo giratorio de rayos X según la reivindicación 15, caracterizado porque los nanotubos de carbono poseen forma de esfera.

17. Disco de ánodo giratorio de rayos X según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque entre el cuerpo base (1.1, 1.2) y una capa activa para rayos X (2.1, 2.2, 2.4) hay dispuesta una capa de bloqueo de difusión (3.1, 3.2, 3.4) de renio, molibdeno, tántalo, niobio, cromo, wolframio, circonio o combinaciones de estos metales o compuestos de ellos, la cual posee a la vez la función de una capa de enlace (4.1, 4.2, 4.4) y una capa de regulación.

18. Disco de ánodo giratorio de rayos X según la reivindicación 17, caracterizado porque la capa de bloqueo de difusión (3.1, 3.2, 3.3) se extiende en el disco de ánodo giratorio de rayos X sobre la capa activa para rayos X.

19. Disco de ánodo giratorio de rayos X según una de las reivindicaciones 17 a 18, caracterizado porque la capa activa para rayos X (2.2, 2.4) llena una ranura, cuya forma de sección transversal corresponde a una isoterma de distribución de la temperatura alrededor de la zona activa para rayos X durante el funcionamiento.

20. Disco de ánodo giratorio de rayos X según una de las reivindicaciones 17 a 19, caracterizado porque la

composición cualitativa y/o cuantitativa de las capas varía por capas y/o de forma continua en la dirección del eje.

21. Disco de ánodo giratorio de rayos X según una de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque el cuerpo base

(1.3) se junta de una manera conocida con un cuerpo de metal formado (5) que sostiene una capa activa para rayos X 5 (2.3) .

22. Procedimiento para la fabricación de un disco de ánodo giratorio de rayos X según una de las reivindicaciones 17 a 21, caracterizado porque a los materiales iniciales del cuerpo base y de la capa activa para rayos X se les da una forma final aproximada en una fase de operación en un molde de prensado mediante la influencia simultánea de presión, temperatura y corrientes eléctricas con variación temporal sobre los mismos, se les comprime hasta alcanzar la densidad final y se forman soldaduras por difusión altamente resistentes entre estos materiales iniciales.

23. Procedimiento según la reivindicación 22, caracterizado porque los materiales iniciales también comprenden aquellos de una capa de enlace y/o de una barrera de difusión entre aquellos del cuerpo base y de la capa activa para 15 rayos X, así como otros estratos intermedios.

24. Procedimiento según la reivindicación 22 o 23, caracterizado porque los materiales iniciales de la capa del cuerpo base se introducen según la reivindicación 5 como cuerpo preformado en el molde de prensado.

25. Procedimiento según una de las reivindicaciones 22 a 24, caracterizado porque, una vez finalizada la forma final aproximada, el bisel del disco es trabajado a máquina por arranque de viruta y, a continuación, se aplica una capa activa para rayos X mediante procedimientos adecuados.