AT394471B - Drehanode fuer eine roentgenroehre - Google Patents

Description

AT 394 471 B

Die Erfindung betrifft eine Drehanode für eine Röntgenröhre mit einer Kathode zum Emittieren eines Elektronenstrahlbündels zum Beschuß einer kreisringförmigen Brennbahn auf der Anode, die ein Substrat mit einer abgeschrägten, der Kathode zugewandten Oberseite aufweist, welche die Brennbahn trägt, wobei die Brennbahn aus einem hitzebeständigen Metall besteht und eine radiale Breite hat, die kleiner ist als die radiale Breite des auftreffenden Elektronenstrahlbündels.

Bekannte als Röntgenröhrentargets dienende Drehanoden bestehen aus einem Substrat relativ geringer Dichte, wie Molybdän, und einer Brennbahn aus hochdichtem, hitzebeständigen Metall, die auf dem Substrat in Form eines Ringes angeordnet ist. Die zugeordnete Kathode ist in einer solchen Position angeordnet, daß die von ihr emittierten Elektronen auf der Brennbahn auftreffen, wobei Röntgenstrahlen erzeugt werden. Die radiale Breite der Brennbahn ist üblicherweise ausreichend groß, so daß sie sich zu beiden Seiten über den Auftreffbereich des Elektronenstrahles hinaus erstreckt. Auf diese Weise ist die relative Ausrichtung zwischen Kathode und Anode nicht kritisch, solange der Elektronenstrahl auf der Brennbahn lokalisiert ist, und der resultierende Brennfleck der erzeugten Röntgenstrahlung besitzt eine feste Größe.

Eines der Probleme bei diesen Röntgenröhrentargets ist die außerhalb des Brennfleckes liegende Strahlung, deren Hauptursache die Streuung der sogenannten Leck-Elektronen des Elektronenstrahles ist. Dieses Problem kann durch den Einsatz einer mit einer Haube versehenen Anode oder einer anderen Kollimationseinrichtung beträchtlich entschärft werden, welche einen definierten Kanal für den Elektronenstrom schaffen. Mit diesen Lösungen sind jedoch zusätzliche strukturelle Komplikationen und Kosten verbunden.

Eine andere Ursache der außerhalb des Brennfleckes liegenden Strahlung ist die durch Sekundärelektronen verursachte Strahlung. Trifft der Elektronenstrahl die Brennbahn innerhalb eines vorgeschriebenen radialen Bereiches, dann findet zusätzlich zur Abgabe der Röntgenstrahlung die Erzeugung von Sekundärelektronen statt, die auf anderen Bereichen der Brennbahn außerhalb der vorgesehenen radialen Grenzen auftreffen. Wenn dies geschieht, werden Röntgenstrahlen an Orten außerhalb der radialen Grenzen erzeugt, die eine außerhalb des Brennfleckes liegende Strahlung bilden und die Auflösung vermindern.

Ein Weg zur Reduzierung der außerhalb des Brennfleckes liegenden Strahlung würde darin bestehen, die radiale Breite der Brennbahn auf die gleiche radiale Breite, wie sie der Elektronenstrahl hat, zu begrenzen. Ein solcher Aufbau ist in der US-PS 37 95 832 gezeigt

Ein Nachteü der gleichen radialen Breiten für die Brennbahn und den Elektronenstrahl besteht jedoch darin, daß eine relative Fehlausrichtung zu einem Brennfleck verminderter Größe führt. Eine solche Fehlausrichtung kann sich aus einer Abweichung des Elektronenstrahles ergeben, ein Zustand, der durch fokussierende Geräte, wie Kathodenbecher, im wesentlichen steuerbar ist. Eine andere praktisch stets vorhandene Ursache der Fehlausrichtung ist die der Gesamtexzentrizität HR ("Total Indicated Runout"). Dies ist die Erscheinung, daß der radiale Abstand zwischen dem Rotationszentrum und der Kante der Brennbahn beim Rotieren der Anode variiert und dadurch bewirkt, daß die Brennbahn bezüglich des Elektronenstrahles eine Flatterbewegung ausführt. Da naturgemäß immer ein bestimmter TIR-Betrag vorhanden ist, erzeugt eine Röntgenröhre mit gleichen radialen Breiten für den Elektronenstrahl und die Brennbahn einen Brennfleck, der in seiner Größe periodisch variiert.

Eine dritte und am meisten vorherrschende Ursache der Fehlausrichtung ist die radiale Fehlanordnung des Glühfadens, so daß der emittierte Elektronenstrahl nicht richtig mit der Brennbahn ausgerichtet ist

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehanode für eine Röntgenröhre mit reduziertem Strahlungsanteil außerhalb des Brennfleckes zu schaffen. Dabei soll keine Veränderung in der Größe des Brennfleckes auftreten. Die zu schaffende Drehanode soll wirtschaftlich heizustellen und praktisch anzuwenden sein.

Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Drehanode der einleitend angegebenen Art zeichnet sich dadurch aus, daß die Brennbahn in Form eines Ringes, vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer Sperrschicht aus hitzebeständigem Material, in einer kreisringförmigen Ausnehmung eingebettet ist, welche an der Oberseite des Substrates vorgesehen ist, das in an sich bekannter Weise aus Graphitmaterial besteht, und daß die Differenz der radialen Breite des Elektronenstrahlbündels und der radialen Breite der Brennbahn im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 6,35 mm liegt

Durch die erfindungsgemäße Wahl des Anodensubstratmaterials und die Einbettung der Brennbahn in das Substrat wird die Erzeugung von Röntgenstrahlung außerhalb des vorgesehenen Brennfleckes unterbunden, weil Graphit für die Erzeugung von Röntgenstrahlen relativ unwirksam ist und eine hohe Sublimationstemperatur aufweist Auf Grund dieser Eigenschaften wird außerhalb der Brennbahnrille keine Röntgenstrahlung auf Grund von Sekundärelektronen oder Streuelektronen erzeugt Der erfindungsgemäße Unterschied in den radialen Breiten von Elektronenstrahlbündel und Brennbahn ist so gewählt, daß er gleich ist der in Betracht gezogenen radialen Fehlausrichtung zwischen Elektronenstrahl und Brennbahn, was wiederum abhängig ist von der Toleranz der Anode gegenüber der Position des Elektronenstrahles und der Gesamtexzentrizität TIR. Auf diese Weise bleibt die Größe des Brennfleckes konstant während gleichzeitig die Wärme, die durch den Beschuß des Anodensubstrates entsteht minimal gehalten wird. Die bevorzugte Zwischenschaltung der Sperrschicht aus hitzebeständigem Material, wie Rhenium, unterbindet die Wärmediffusion des Substratmaterials in das Brennbahnmaterial.

Die Brennbalm besteht vorzugsweise aus hochdichtem Wolframmaterial, das sich für die Röntgenemission gut eignet Das Graphitsubstrat ist aus einem Material gebildet dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient dem des Wolframmaterials angepaßt ist so daß der Unterschied der thermischen Ausdehnung zwischen dem Wolfram und dem Graphit an der Grenzfläche während des Erhitzens des Wolframs, d. h. während des Betriebes der Röhre, -2-

AT 394 471 B im wesentlichen gleich Null ist, was die Zuverlässigkeit der metallurgischen Bindung zwischen dem Graphitsubstrat und der Brennbahn fördert.

In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß der allgemeine Schichtaufbau der Drehanode aus Graphitsubstrat, Rheniumsperrschicht und Wolframbrennbahn aus der US-PS 4,482.837 bekannt ist, die jedoch eine Drehanode der bereits genannten Art zeigt, bei der die Brennbahn die ganze radiale Breite des Substrates einnimmt und folglich die erwähnten Probleme mit Sekundär- und Streuelektronen auftreten.

Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfmdungsgemäßen Röntgenröhren-Drehanode, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Drehanode mit einem Brennfleck, der gemäß dem Stand der Technik projiziert ist, und Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Drehanode mit einem Brennfleck, der gemäß der Erfindung projiziert ist.

In Fig. 1 ist eine Drehanode (11) einer Röntgenröhre gezeigt. Die Anode (11) besteht aus einem scheibenartigen Substrat (12) und einer Brennbahn (13), die als Ring in einer abgeschrägten Oberseite (14) des Substrates (12) ausgebildet ist.

Das Substrat (12) besteht aus einem Material relativ geringer Dichte, wie Graphit, das die Brennbahn (13) trägt und als Wärmeableiter für die Wärme dient, die während der Erzeugung der Röntgenstrahlen gebildet wird. Die Anode ist in üblicher Weise nahe einer Kathode (16) drehbar montiert, so daß der Elektronenstrahl (17), der aus der Kathode (16) austritt, zum Auftreffen auf die Brennbahn (13) gerichtet ist, um dort Röntgenstrahlen zu erzeugen.

Die Brennbahn (13) umfaßt einen Ring (18) hoher Dichte, der aus einem hitzebeständigen Metall, wie Wolfram, besteht. Der Ring (18) kann durch eine Reihe von Verfahren auf das Substrat (12) aufgebracht werden, wie durch Bedampfen, Hartlöten, Plasmasprühen oder durch mechanisches Verbinden. Das Hartlöten kann durch Verwendung eines für hohe Temperatur geeigneten Hartlotes erfolgen, wie Zirkon oder Platin. Eine mechanische Befestigung kann in ähnlicher Weise erfolgen, wie in der US-PS 3,795.832 gezeigt ist. Das bevorzugte Verfahren ist jedoch chemisches Bedampfen.

Um eine Verankerung für die Brennbahn (13) vorzusehen, wird im Substrat (12) eine kreisringförmige Ausnehmung (19) gebildet. In die Ausnehmung (19) wird eine Diffusionssperrschicht (21) aus einem Material, wie Rhenium, eingebracht, welches bei hoher Temperatur die Diffusion von Kohlenstoff aus dem Substrat in den hitzebeständigen Ring (18) unterbindet, um dadurch die Karbidversprödung der Brennbahn zu vermeiden. Der Ring (18), zusammengesetzt aus Wolfram oder einer Wolfram/Rhenium-Legierung, wird dann durch chemisches Bedampfen aufgebracht, um die Ausnehmung (19) zu füllen.

Ein Graphitsubstrat, das sich für die Zwecke der vorliegenden Erfindung als geeignet erwiesen hat, ist Grade 1116 PT Graphite. Diese Graphitqualität hat üblicherweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der etwas größer ist als der von Wolfram (oder Wolfram/Rhenium), um dadurch den thermischen Gradienten über die Grenzfläche zu kompensieren. Auf diese Weise können die beiden Materialien so veibunden werden, daß sie während des Röhrenbetriebes im wesentlichen keinen Unterschied in der thermischen Ausdehnung aufweisen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 seien nun die Folgen einer radialen Fehlausrichtung zwischen der Brennbahn (13) und der Kathode (16) betrachtet, wie sie bei einer normalen Herstellung auftreten können. Die erfindungsgemäße Beziehung besteht darin, daß die schmäleren radialen Grenzen der Brennbahn (13) (definiert durch die Abmessung (r)) innerhalb der größeren radialen Grenzen des Elektronenstrahles (definiert durch die Abmessung (R)) zentriert werden, wie in Fig. 1 gezeigt ist Der Unterschied in den radialen Breiten, durch die Abmessung (Ar) veranschaulicht, ergibt einen Bereich für das Überlappen durch den Elektronenstrahl, der eine relative Fehlausrichtung gestattet, ohne den Ort oder die Größe des Brennfleckes zu beeinflussen. So kann sich z. B. der Elektronenstrahl (17) radial bewegen (d. h. in Fig. 1 nach links oder rechts), u. zw. um einen Abstand (Ar), und doch bleibt der Brennfleck in einer festgelegten Position mit der Abmessung (D), wie Fig. 1 zeigt. Im Gegensatz dazu ist deutlich ersichtlich, daß bei gleichen radialen Breiten für den Elektronenstrahl (17) und die Brennbahn (13) eine solche Fehlausrichtung zu einem Brennfleck führen würde, dessen Abmessung geringer ist als die Abmessung (D).

Im folgenden sei betrachtet, wie die Brennbahn durch die Gesamtexzentrizität HR beeinflußt werden kann. In Fig. 2 ist eine Röntgentargetanordnung nach dem Stand der Technik gezeigt, bei der die radiale Breite des Elektronenstrahles gleich der radialen Breite (r) der Brennbahn ist Sind diese beiden Breiten genau ausgerichtet, dann hat der Brennfleck eine Abmessung (D). Ist ein TIR von (AL) vorhanden, dann liegt die Position der Außenkante der Anode (11) und damit der Brennbahn (13) wie durch die gestrichelten Linien angezeigt. Der ausnutzbare Teil des Elektronenstrahles (17) wird dadurch reduziert, und die Größe des Brennfleckes wird dementsprechend auf eine Abmessung (D') vermindert.

In Fig. 3 ist eine Targetanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, die eine Brennbahn mit der radialen Breite (r) und einen Elektronenstrahl mit der radialen Breite r + 2Ar aufweist. Nimmt man an, daß ein TIR von (AL) vorhanden ist, dann wird die Brennbahn (13) radial zu der durch die gestrichelten Linien gezeigten Position verschoben. Wegen des überlappenden Elektronenstrahls (17) wird die Größe des Brennfleckes nicht vermindert, sondern bleibt in einer festgelegten Position mit einer Breite (D).

Das Überlappen des Graphitsubstrates (12) durch den Elektronenstrahl (17) verursacht eine gewisse Erhitzung des Substrates und kann erfordern, daß dieses Substrat etwas größer ausgebildet wird, um den Erfordernissen -3-

Claims (1)

1. AT 394 471 B der Wärmeableitung zu genügen. Diese Überlappung wird vorzugsweise dadurch möglichst gering gehalten, daß man sie auf das begrenzt, was zur Anpassung an die insgesamt in Betracht gezogene Fehlausrichtung zwischen dem Elektronenstrahl (17) und der Brennbahn (13) erforderlich ist. Diese gesamte Fehlausrichtung wird sowohl durch die Gesamtexzentrizität HR, die beim Einbau der Anode (11) eingeführt wird, als auch durch die Fehlanordnung der Kathode (16) mit Bezug auf ihre beabsichtigte Position hinsichtlich der Brennbahn (13) beim anfänglichen Zusammenbau bestimmt. Wenn die zweite Ursache (d. h. die Fehlanordnung der Kathode) beseitigt werden kann, ist noch immer die Exzentrizität in Rechnung zu stellen. Dementsprechend sollte der Elektronenstrahl auf jeder Seite der Brennbahn mindestens um etwa 0,025 mm überlappen (Ar). Um die Fehlanordnung der Kathode in Rechnung zu stellen, sollte das Überlappen vorzugsweise bis auf etwa 3,2 mm erhöht werden, wobei diese obere Grenze festgelegt ist, um die Wärme zu beschränken, die durch den direkten Elektronenbeschuß des Graphits in diesem erzeugt wird. PATENTANSPRUCH Drehanode für eine Röntgenröhre mit einer Kathode zum Emittieren eines Elektronenstrahlbündels zum Beschuß einer kreisringförmigen Brennbahn auf der Anode, die ein Substrat mit einer abgeschrägten, der Kathode zugewandten Oberseite aufweist, welche die Brennbahn trägt, wobei die Brennbahn aus einem hitzebeständigen Metall besteht und eine radiale Breite hat, die kleiner ist als die radiale Breite des auftreffenden Elektronenstrahlbündels, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennbahn (13) in Form eines Ringes (18), vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer Sperrschicht (21) aus hitzebeständigem Material, in einer kreisringförmigen Ausnehmung (19) eingebettet ist, welche an der Oberseite (14) des Substrates (12) vorgesehen ist, das in an sich bekannter Weise aus Graphitmaterial besteht, und daß die Differenz (2Ar) der radialen Breite (R) des Elektronenstrahlbündels (17) und der radialen Breite (r) der Brennbahn (13) im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 6,35 mm liegt Hiezu 1 Blatt Zeichnung -4-