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Scheibenförmige Anode für Röntgenröhren
Die Anoden von Röntgenröhren besitzen eine Platte aus hochschmelzendem Metall, die von den Elektronen der Kathode beschossen wird und Röntgenstrahlen aussendet. Es ist Brauch, diese Platte aus Wolfram herzustellen, weil dieses Metall einmal eine höhere Belastung je Oberflächeneinheit als die anderen Metalle aushält, und ausserdem die Röntgenstrahlenemission infolge der hohen Atomnummer des Metalles sehr gross ist.
Dennoch wird bei der Belastung einer Röntgenröhre der grösste Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt. Diese Wärme wird durch Strahlung, Leitung oder Konvektion von der Anode abgeführt. Bei ununterbrochener Belastung, z. B. bei Durchleuchtung und Bestrahlung von Patienten, entsteht durchwegs ein Gleichgewicht zwischen der Wärmeerzeugung und der Abfuhr. Bei photographischen Röntgenaufnahmen hingegen wird während der meist kurzen Belastung nur ein sehr geringer Teil der erzeugten Wärme abgeführt. Weitaus der grösste Teil wird in der Wolframplatte und seiner unmittelbaren Umgebung zunächst aufgespeichert, so dass die Temperatur an der Anodenoberfläche schnell ansteigt.
Nach der Belastung verbreitet sich die Wärme im Anodenkörper, wodurch die Temperatur an der Aufprallfläche absinkt und im übrigen Teil des Körpers anfänglich steigt, worauf sie infolge der Wärmeabfuhr nach aussen wieder sinkt. Die höchste Temperatur, die die Anode bei diesem Vorgang annimmt, ist von ihrer Wärmekapazität und ihrem Wärmekontakt mit der Umgebung abhängig.
Um die Wärmekapazität zu vergrössern und demnach die Belastungsstösse schneller wiederholen zu können, befestigt man die Aufprallplatte aus Wolfram an einen Kupferkörper. Dieses Metall hat hohe spezifische Wärme und dazu grosse Wärmeleitfähigkeit, so dass die Wärme schnell bis in sämtliche Winkel vordringt. Infolgedessen kann in kurzer Zeit viel Wärme bei einer verhältnismässig geringen Temperatursteigerung aufgenommen werden, so dass mehrere Aufnahmen schnell nacheinander gemacht werden können.
Neben dieser sogenannten"schweren Anode" wird auch die scheibenförmige Anode verwendet. Diese hat eine verhältnismässig geringe Wärmekapazität, nimmt also nach jeder Belastung eine viel höhere Temperatur an und gibt ihre Wärme durch Strahlung ab. Die zulässige Temperatur wird bei dieser Anodenart ausschliesslich durch das Wolfram bedingt und kann bis zu etwa 2500 C ansteigen, und da die Wärmeausstrahlung sehr stark mit der Temperatur zunimmt, kann auch diese Anode eine grosse Wärmemenge verarbeiten. Sie ist dementsprechend für verschiedene Zwecke im Prinzip gleich brauchbar wie die schwere Anode.
Scheibenförmige Anoden werden häufig in Drehanodenröhren verwendet, weil die Wärme einer Drehanode nicht wie bei einer festen Anode durch Leitung oder Konvektion auf einfache Art abgeführt werden kann, die Strahlungskühlung also ausschlaggebend ist und weil darüber hinaus das Gewicht des drehbaren Systems dann kleiner bleibt.
Ein Nachteil von Scheibenanoden besteht in ihrer geringen Überlastbarkeit. Im Gegensatz zur schweren Anode erreicht die scheibenförmige Anode bereits nach einer oder nur nach wenigen Aufnahmen ihre noch gerade zulässige Temperatur und muss dann wieder vollständig abkühlen bevor die gleiche Belastung oder die gleiche kleine Anzahl Belastungen gegeben werden kann. Dieser Nachteil macht sich um so weniger bemerkbar, je grösser das Volumen der Scheibe ist, weil hiedurch die Temperatursteigerungen beim Aus- fliessen der Wärme beschränkt wird. Die Herstellung dicker Wolframscheiben ist aber äusserst kostspielig und schwer, so dass es für praktische Zwecke bishernicht möglich war, in dieser Richtung eine wesentliche Verbesserung zn erzielen.
Durch die Erfindung wird diese Schwierigkeit behoben. Sie betrifft eine scheibenförmige Anode für Röntgenröhren, insbesondere für Drehanodenröhren. Nach der Erfindung setzt sich die Anode aus zwei oder mehreren Scheiben aus hochschmelzendem Metall (Schmelzpunkt höher als 20000 C) zusammen, die aufeinander befestigt sind und bei denen die AufpraHS & che für die Elektronen aus Wolfram besteht. Die Scheiben können etwa die gleiche Stärke haben und aus Wolfram bestehen. Bei einer sehr zweckmässigen Ausbildung besitzt die Anode aus-
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schliesslich an der Aufprallfläche eine Wolfram- scheibe und besteht im übrigen aus einem anderen
Metall, das leichter als Wolfram zu bearbeiten ist. Unter Metall ist im vorliegenden Fall auch eine Legierung zu verstehen.
Vorzugsweise wählt man einen Werkstoff, der eine grössere spezifische Wärme als Wolfram hat. Ein besonders geeigneter Werkstoff ist Molybdän, dessen Aus- dehnungskoeffizient wenig von dem des Wolframs verschieden ist. Es empfiehlt sich die Scheiben der- art in bezug aufeinander anzuordnen, dass die Faser- richtung des Werkstoffes verschieden ist, wodurch das Krummziehen der Anode vermieden wird.
Eine aus Molybdän mit einer Wolframaufprallfläche bestehende scheibenförmige Anode hat verschiedene Vorzüge sowohl gegenüber einer
Kupferanode mit Wolfram als auch gegenüber der bisher üblichen dünnen Anode, die ganz aus Wolfram besteht.
Bei einer Kupferanode kommt es vor, dass die Elektronen durch Risse in der Wolframscheibe auf das Kupfer aufprallen. Infolgedessen kann eine örtliche Erhitzung des Kupfers bis über den Schmelzpunkt dieses Metalles auftreten.
Dies verursacht eine Verdampfung des Kupfers und das Auftreten von Bogenentladungen, die eine vernichtende Wirkung ausüben können.
Molybdän hat einen viel höheren Schmelzpunkt als Kupfer und einen niedrigeren Dampfdruck.
Der gleiche Dampfdruck, den das Kupfer bereits bei 900 C ergibt, wird beim Molybdän erst bei etwa 2000 C erreicht, d. h. nur 600 C niedriger als die Temperatur, bei der das Wolfram den gleichen Dampfdruck erreicht. Die Gefahr des Einbrennens und der Ionenbildung ist deshalb bei einer scheibenförmigen Anode aus Molybdän viel geringer als bei einer Kupferanode.
Durch Anwendung der Erfindung ist man bei Verwendung von Wolfram imstande, die Anode dicker zu gestalten, ohne dabei auf die Nachteile der Herstellung starker Wolframscheiben zu stossen. Eine dicke Scheibe lässt sich viel leichter aus Molybdän als aus Wolfram herstellen, so dass bei Verwendung von Molybdän die Anode aus weniger Scheiben zusammengesetzt sein kann. Eine günstige Ausbildung wird bei Verwendung einer dicken Scheibe aus Molybdän mit einer dünnen Wolframschicht erhalten. Die spezifische Wärme des Molybdäns beträgt ausserdem fast das zweifache von der des Wolframs, so dass von zwei Anoden, die das gleiche Gewicht haben, die Molybdänanode eine grössere Anzahl schnell nacheinanderfolgender Belastungsstösse auszuhalten vermag.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele von Anoden nach der Erfindung im Schnitt dargestellt. Als Beispiele sind Drehanoden verwendet worden.
In Fig. 1 besteht die Anode aus zwei schwach kegeligen Scheiben 1 und 2, die am Ende der Welle 3 befestigt sind. Diese Welle kann in einer Röntgenröhre drehbar angeordnet und auf bekannte Weise durch ein rotierendes Magnetfeld in Umdrehung versetzt werden, so dass sich die Stelle, wo die Anode von Elektronen getroffen wird, fortwährend ändert.
Die Scheiben 1 und 2 können beide aus Wolfram bestehen, aber für die untere Scheibe 2 kann erfindungsgemäss auch ein anderes Metall mit hohem Schmelzpunkt gewählt werden, das sich leichter als Wolfram bearbeiten lässt. In diesem Fall kann, wie in Fig. 2 dargestellt ist, die aus Molybdän bestehende Scheibe 2 eine grössere Stärke haben und mit einer Wolframschicht 1 ausgestattet sein, die die Aufprallfläche für den mit Pfeilen angedeuteten Elektronenstrahl bildet. Die Scheibe 2 kann eine Stärke haben, die am Rande mehr als 5 mm beträgt und nach der Mitte zunimmt.
Eine Wolframschicht mit einer Stärke von 0-01 mm wäre hinreichend zum Abbremsen von Elektronen mit einer einem Spannungsunterschied von 100 Kilovolt entsprechenden Geschwindigkeit. Um das Molybdän zu schützen, wählt man die Schicht 1 vorzugsweise etwas stärker z. B. 0-1-0-3 mm oder mehr. Während einer stossartigen Belastung kann der Temperatur-
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Belastung, die die Temperatur an der Oberfläche bis zu 2000 0 C ansteigen lässt, dringt die Wärme also bei sehr kurzen Belastungszeiten noch nicht während der Aufnahme bis in die Scheibe 2 vor.
Nach der Belastung verbreitet sich die Wärme, wodurch die Temperatur der Scheibe 2 zunimmt, jedoch in geringerem Masse als bei den bisher üblichen Scheibenanoden vermöge des grösseren Volumens, so dass die Anzahl schnell aufeinanderfolgender Belastungen oder die Belastungsdauer grösser sein kann, bevor die höchstzulässige Temperatur erreicht wird. Das Molybdän hat eine grössere spezifische Wärme als das Wolfram, so dass bei gleicher zulässiger Belastung das Gewicht der Molybdänanode geringer sein kann, als wenn die Scheiben aus Wolfram bestehen.
Um die Wärmeausstrahlung zu fördern, ist es zweckmässig, die Oberfläche aufzurauhen oder matt schwarz zu machen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Scheibenförmige Anode für Röntgenröhren, insbesondere für Drehanodenröhren, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei oder mehreren Scheiben von etwa gleichem Durchmesser zusammengesetzt ist, die aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt (höher als 2000'0 C) bestehen und von denen mindestens jene Scheibe, welche die Aufprallfläche für die Elektronen bildet, aus Wolfram besteht.