AT403630B - Drehanode für eine röntgenröhre - Google Patents

Description

AT 403 630 B

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drehanode für eine Röntgenröhre, mit einem Target und einem Fuß, wobei das Target mit dem Fuß über eine Metall/Metall-Diffusionsverbindung verbunden ist. wobei der Fuß aus einer Legierung gefertigt ist, deren Hauptbestandteil Niob ist.

Die Herstellung einer Metall/Metall-Diffusionsverbindung zwischen dem Target und dem Fuß einer Drehanode ist in der Praxis äußerst schwierig, weil das Target und der Fuß aus unterschiedlichen Legierungen gefertigt sind, welche sich für eine Diffusionsverbindung schlecht eignen. In der US 4 574 388 wurde daher bereits ein ringförmiger Einsatz zur Zwischenschaltung zwischen Target und Fuß vorgeschlagen, welcher aus reinem Molybdän gefertigt ist und eine Diffusionsverbindung mit beiden Teilen zuläßt. Der Molybdäneinsatz wird als Sinterring gemeinsam mit dem Target während des Sintems des letzteren gebildet, u.zw. indem in der Sinterpresse zwei konzentrische Pulverringe angeordnet werden, von denen der Außenring das Target und der Innenring den Einsatz bildet. Nach dem Sintervorgang werden das Target und der Einsatz mittels herkömmlichem Diffusionsverbinden mit dem Fuß verbunden.

Auch wenn diese Lösung in der Praxis gute Ergebnisse geliefert hat, setzt sich die Erfindung zum Ziel, die Gesamt-Verbindung zwischen Target und Fuß noch weiter zu verbessern, insbesondere eine ausgewuchtete, hitzebeständige und dauerhafte Verbindung zwischen dem Fuß und dem Target zu schaffen. Röntgenstrahlen werden erzeugt, wenn in einem Vakuum Elektronen freigesetzt, beschleunigt und dann abrupt abgebremst werden. Dies findet in einer Röntgenröhre statt. Um Elektronen freizusetzen, wird der Glühfaden in der Röhre durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes bis zum Glühen (Weißglut) erhitzt. Die Elektronen werden durch eine hohe Spannung (die im Bereich von etwa 10.000 bis mehr als 100.000 Volt liegt) zwischen der Anode (positiv) und der Kathode (negativ) beschleunigt, und sie treffen auf die Anode auf, wodurch sie abrupt verlangsamt werden. Die Anode, die üblicherweise als Target bezeichnet wird, ist von der Art einer rotierenden Scheibe, so daß der Elektronenstrahl immer einen anderen Punkt auf dem Anodenumfang trifft. Die Röntgenröhre selbst ist aus Glas hergestellt, aber in einem Schutzgehäuse eingeschlossen, das mit Öl gefüllt ist, um die erzeugte Wärme zu absorbieren. Hochspannungen zum Betreiben der Röhre werden durch einen Wandler bzw. Transformator geliefert. Der Wechselstrom wird durch Gleichrichterröhren (oder "Ventile”), in einigen Fällen mittels Sperrschicht-Gleichrichtern, gleichgerichtet. Für therapeutische Zwecke - zum Beispiel die Behandlung von Tumoren usw. - werden die benutzten Röntgenstrahlen in einigen Fällen bei sehr viel höheren Spannungen (über 4.000.000 Volt) erzeugt. Es werden auch die durch Radium und künstliche radioaktive Materialien emittierten Strahlen sowie Elektronen, Neutronen und andere Teilchen hoher Geschwindigkeit (die zum Beispiel durch ein Betatron erzeugt werden) in der Strahlungstherapie benutzt.

Die Leistungsfähigkeit einer Röntgenröhre kann durch das Gleichgewicht bzw. die Auswuchtung der Anodenbaueinheit beeinflußt werden. Spezifisch ist es während der Herstellung der Röntgenröhre wichtig, daß man die Anodenbaueinheit ausbalanciert bzw. auswuchtet und sie während des übrigen Herstellungszyklus und während des Betriebes der Röntgenröhre in diesem ausbalancierten bzw. ausgewuchteten Zustand hält. Da die Größe von Röntgenröhren-Targets bis auf etwa 17,5 cm und darüber hinaus vergrößert worden ist, hat es sich als schwierig erwiesen, dieses Gleichgewicht beizubehalten, so daß verringerte Herstellungsausbeuten und verkürzte Betriebszeiten die Folge waren. Die Auswertung von beim Kunden beschädigten Röntgenröhren hat gezeigt, daß das mangelnde Gleichgewicht der Anodenbaueinheit im Bereich der Befestigung des Targets am Fuß oder Schaft aufgetreten ist.

Bei der Herstellung neuer und verbesserter Targets für die Anwendung bei Röntgen-Drehanoden ist es nicht nur erforderlich, daß die Verbindung zwischen Target und Fuß eine rigorosere Umgebung in der Röntgenröhre überlegt, sondern sie muß auch in der Lage sein, rigorosere Herstellungsverfahren, wie das Glühen bei Temperaturen bis zu etwa 1.500* C im Vakuum, zu überstehen. Dies erfordert, daß die verbesserte Verbindung die folgenden Vorteile aufweist: 1. Die Verbindungstemperatur muß gering genug sein, um nicht die Eigenschaften der TZM-Legierung zu beeinträchtigen, die bei etwa 2.000 * C deutlich an Festigkeit verlieren kann. 2. Nach dem Verbinden muß die Verbindung eine genügende Festigkeit bei hoher Temperatur aufweisen, um die Verbindung während der zusätzlichen Herstellungsstufen, wie eines Glühens im Vakuum bis etwa 1.500 * C, aufrecht zu erhalten. 3. Die Verbindung sollte stark sein und nicht durch thermische Ausschläge während des normalen Röntgenröhrenbetriebes bis zu 1.500*C für ausgedehnte Zeitdauern beeinträchtigt werden. Für einen speziellen Satz von Verbindungsmetallen, wie beim Diffusionsverbinden, muß dieser, um unter den obigen Parametern wirksam zu sein, gewisse inhärente Eigenschaften aufweisen. Die erste wäre, daß die Metalle keine eutektische oder peritektische Reaktion mit der TZM-Targetschicht eingehen. Schließlich sollten die eingesetzten Verbindungsmetalle, wie beim Diffusionsverbinden, nur eine einfache, binäre, feste Lösung mit dem Molybdän in der TZM-Legierung bilden. 2

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Eine Grundregel beim Verbinden verschiedener Materialien ist, daß zum Auftreten einer Verbindung ein gewisses Vermischen der Elemente zwischen den beiden Materialien stattfinden muß. Damit eine solche Verbindung genügende Festigkeit aufweist, sollte die Abstufung der Vermischung etwa gleich der eines binären Diffusionspaares sein, bei dem die beiden Materialien in gleichen Portionen ineinander diffundieren.

Konventionelle Fuß/Schaft-Verbindungen stehen in dem Ausmaß, in dem sie in konventionellen Röntgen-Abbildungssystemen lebensfähig sind, einem sehr viel strengeren Test in Verbindung mit Graphitteilen in Röntgenröhren gegenüber, die in medizinischen C.A.T.-Scannem benutzt werden. Für die Herstellung von Bildern braucht ein medizinischer C.A.T.-Scanner typischerweise einen Röntgenstrahl von etwa 2 bis 8 Sekunden Dauer. Solche Bestrahlungszeiten sind sehr viel länger als die Bestrahlungszeiten von Bruchteilen einer Sekunde, die für konventionelle Röntgen-Abbildungssysteme typisch sind. Als Ergebnis dieser verlängerten Bestrahlungszeiten muß eine sehr viel größere Wärmemenge (die als Nebenprodukt des Verfahrens der Röntgenstrahl-Erzeugung im Targetbereich entsteht) gespeichert und schließlich durch die Drehanode abgegeben werden. Kürzlich erreichte das Problem im Zusammenhang mit dem Versagen der Anodenbaueinheit aufgrund eines mangelnden Gleichgewichtes einen kritischen Punkt. Aufgrund der ungeheuren Spannungen, die auf die einen größeren Durchmesser aufweisenden Röntgenröhren während kontinuierlichen Betriebes wirken, betrug die mittlere Lebenszeit der Röhre etwa 30.000 Scan-Sekunden unter Verwendung der konventionellen mechanischen Verbindung mit mit Gewinde versehenem Fuß und Belleville-Scheibe. Da etwa 20% der Fehler in Bezug zu einem mangelnden Gleichgewicht der Anodenbaueinheit standen, wurde die Notwendigkeit einer verbesserten Anodenbaueinheit mit einer dauerhafteren Verbindung zwischen Target und Fuß, die das mangelnde Gleichgewicht bzw. die mangelnde Auswuchtung beseitigt, während sie die Wirksamkeit des Targets aufrechterhält, deutlich. Eine solche Anodenbaueinheit würde erwünschtermaßen ein genügendes Gleichgewicht während der Betriebslebensdauer des Targets schaffen, während sie Gleichgewichspro-bleme der Anodenbaueinheit deutlich verringert, wenn nicht vollständig beseitigt.

Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehanode für eine Röntgenröhre zu schaffen, die eine verbesserte Scan-Lebensdauer aufweist, insbesondere eine Scan-Lebensdauer von mindestens 40.000 Scan-Sekunden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drehanode für eine Röntgenröhre zu schaffen, die während der gesamten Lebensdauer der Röhre im richtigen Gleichgewicht bleibt, insbesondere für mindestens 40.000 Scan-Sekunden.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Target-Fuß-Befestigungskonfi-guration mit weniger Teilen.

Diese Aufgaben werden mit Hilfe einer Drehanode der einleitend genannten Art erreicht, die sich gemäß der Erfindung dadurch auszeichnet, daß zwischen Target und Fuß ein verbindungsfordernder Überzug mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 um angeordnet ist.

Ein derartig dünner diffusionsfördernder Überzug verbraucht sich selbst durch den Vorgang des Diffusions-Verbindens, d.h. diffundiert in die angrenzenden Verbindungsflächen hinein, beispielsweise bis auf einen Bereich von 10 um. Dadurch wird eine beträchtliche Verbesserung der Gesamt-Verbindung zwischen Target und Fuß erzielt.

Der Fuß wird aus einer Legierung auf Niobbasis hergestellt, um aus der Kombination von hoher Festigkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit, welche diesen Legierungen zu eigen ist, Nutzen zu ziehen. Zweckmäßigerweise wird der Fuß aus einem Material der Gruppe (Nb); (Nb, 10W, 2.5Zr); (Nb, 10W, 10HF, 0.1Y); (Nb, 28Ta, 11W, 0.8Zr); (Nb, 10Hf, 1Ti, 0.7Zr) gefertigt, wobei (A, nB, mC, ...) eine Legierung mit n Atom-% B, m Atom-% C usw. und Rest A angibt. Letztere Variante (Nb, lOHf, 1 Ti, 0.7Zr) wird bevorzugt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der verbindungsfördernde Überzug aus der Gruppe: Titan, Niob-Titan-Legierungen, Aluminium und Titan-Vanadium-Zirkonium-Legierungen (Zirkonium zu weniger als 30 Atom-%) ausgewählt ist. Diese Materialien haben sich in der Praxis als ausgezeichnete Diffusionsförderer erwiesen.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der verbindungsfördernde Überzug eine dünne Schicht aus Titan ist, die zwischen den in Kontakt stehenden Oberflächen angeordnet ist, und hier ebenfalls ausgezeichnete diffusionsfördernde Eigenschaften besitzt.

Der erfindungsgemäße diffusionsfördernde Überzug kann direkt zwischen dem Target und dem Fuß liegen, bevorzugt ist jedoch - wie bei der Konstruktion der US 4 574 388 - zwischen dem Target und dem Fuß ein Einsatz angeordnet, wobei der erfindungsgemäße Überzug dann zwischen dem Target und dem Einsatz und/oder zwischen dem Einsatz und dem Fuß liegt. Besonders vorteilhafte Varianten dieser Ausführungsform bestehen darin, daß der Fuß mit dem verbindungsfördernden Überzug überzogen ist und dieser mit dem Einsatz in Berührung steht, oder daß das Target mit dem verbindungsfördernden Überzug überzogen ist und dieser mit dem Einsatz in Berührung steht, oder daß der Einsatz mit dem verbindungs- 3

AT 403 630 B fördernden Überzug überzogen ist und dieser mit dem Target und/oder mit dem Fuß in Berührung steht.

In jedem dieser Fälle wird der Einsatz bevorzugt aus einer Legierung gefertigt, deren Hauptbestandteil Tantal ist, u. zw. zweckmäßigerweise während der Herstellung des Targets zusammen mit diesem. Es ist dabei erwünscht, daß der Einsatz eine Pulverlegierung ist, die mit den Verarbeitungsstufen, die bei der Herstellung des Targets benutzt werden, wie Pulverherstellung, Pressen im Werkzeug, Sintern, Schmieden, Glühen und Überziehen oder Hartlöten an ein Graphit-Rückteil, verträglich ist. Ein solches Material sollte eine geringe Korngröße, hohe Festigkeit und gute Duktilität während dieser Kombination von Verfahrensstufen aufrechterhalten, wie z.B. Tantal. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Einsatz aus einem Material aus der Gruppe (Ta); (Ta, 10W); (Ta, 8W, 2Hf); (Ta, 9.6W, 2.4Hf, 0.01 C); (Ta, 8W, iRe, 1 Hf, 0.025C); (Ta, 7W, 3Re); (Ta, 2.5W); (Ta mit 50-200ppm Y) gefertigt ist, wobei (A, nB, mC, ...) eine Legierung mit n Atom-% B, m Atom-% C usw. und Rest A angibt.

Bei allen diesen Ausführungsformen mit Einsatz ist es ferner besonders günstig, wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung der Wärmeausdehnungskoeffizient des Fußmaterials größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Einsatzmaterials und dieser wiederum größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Targetmaterials ist.

In einer möglichen Kombination sind der Fuß und der Einsatz leicht abgeschrägt, so daß genügend Kontaktdruck zwischen beiden vorhanden ist, um das Diffusionsverbinden dazwischen zu erleichtern. Dieser Druck wird vorzugsweise durch Druckeinpassen des Fußes in das Target geschaffen. Das Diffusionsverbinden zwischen dem Fuß und dem Target über den Einsatz wird vorzugsweise durch Vakuumglühen für eine genügende Zeit (etwa 3 Stunden), bei einer genügenden Temperatur (vorzugsweise höher als 1.150'C) und bei einem genügenden Kontaktdruck (vorzugsweise mehr als etwa 69 N/mm2 bewerkstelligt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, der beigefügten Zeichnung und den Ansprüchen deutlich. Fig. 1a ist eine Draufsicht eines repräsentativen Röntgensystems, Fig. 1b ist eine Schnittansicht des Röntgensystems der Fig. 1a unter Weglassung von Teilen, Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines anderen repräsentativen Röntgensystems mit einer darin angeordneten Röntgenröhre, Fig. 3 ist eine perspektivische Teilansicht einer repräsentativen Röntgenröhre, aus der Teile weggelassen wurden, Teile im Schnitt gezeigt sind und Teile weggebrochen sind, und Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Verbindung eines Röntgenröhrentargets mit dem Fuß gemäß der vorliegenden Erfindung.

Ein repräsentatives Röntgensystem, das die erfindungsgemäße Drehanode in einer bevorzugten Ausführungsform zeigt, ist in den Fig. 1a, 1b und 2 veranschaulicht und allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Wie ersichtlich, umfaßt das System 20 eine Ölpumpe 22, ein Anodenende 24, ein Kathodenende 26, einen Mittelabschnitt 28, der zwischen dem Anodenende und dem Kathodenende angeordnet ist und die Röntgenröhre 30 enthält. Ein Strahlungskörper 32 zum Kühlen des Öls ist auf einer Seite des Mittelabschnittes angeordnet, und er kann Gebläse 34 und 36 aufweisen, die betriebsmäßig mit dem Strahlungskörper 32 verbunden sind, um eine kühlende Luftströmung über dem Strahlungskörper zu schaffen, während durch ihn heißes Öl zirkuliert. Die Ölpumpe 22 sorgt für den Umlauf des heißen Öles durch das System 20 und durch den Strahlungskörper 32 usw. Wie in Figur 1b gezeigt, sind elektrische Verbindungen in der Anodenfassung 42 und der Kathodenfassung 44 vorhanden.

Wie in Figur 2 gezeigt, umfaßt das Röntgensystem 20 ein Gehäuse 52, das vorzugsweise aus Aluminium hergestellt und mit Blei ausgekleidet ist, sowie eine Kathodenplatte 54, eine rotierende Targetscheibe 56 und einen Rotor 58, eingeschlossen in einem Glaskolben 60. Ein Stator 43 ist außerhalb des Glaskolbens 60 und innerhalb des mit Blei ausgekleideten Gehäuses 52 mit Bezug auf den Rotor 58 angeordnet. Das Gehäuse 52 ist mit Öl zum Kühlen und zur Isolation der hohen Spannung, wie oben erläutert, gefüllt. Ein Fenster 64 zum Emittieren von Röntgenstrahlen ist im Gehäuse 52 ausgebildet und befindet sich relativ zur Targetscheibe 56, um erzeugten Röntgenstrahlen das Austreten aus dem Röntgensystem 20 zu gestatten.

In Figur 3 ist die Kathode 54 innerhalb des Glaskolbens 60 angeordnet gezeigt. Wie bekannt, ist innerhalb des Glaskolbens ein Vakuum von etwa 133 x 10”5 bis etwa 133 x 10"9 Pa. Die Elektrizität erzeugt Elektronen, die vom Kathoden-Glühfaden 68 zum Anodentarget oder der Oberfläche der Targetscheibe 56 gelenkt werden. Die Targetscheibe ist konventionellerweise an einem Ende mit einer Belleville-Mutter 63 und am anderen Ende mit einer anderen Mutter 64 an einem rotierenden Schaft 61 befestigt. Ein vorderes Lager 66 und ein rückwärtiges Lager 68 sind auf dem Schaft bzw. der Welle 61 angeordnet, und sie werden in einer konventionellen Weise an Ort und Stelle gehalten. Die Lager 66 und 68 sind üblicherweise geschmiert, und sie sind empfindlich für ein Versagen bei hohen Betriebstemperaturen.

Um die Welle 61 zwischen den Lagern 66,68 ist eine Vorbelastungs-Feder 70 angeordnet, um während der Ausdehnung und des Zusammenziehens der Anodenbaueinheit eine Belastung auf die Lager aufrechtzuerhalten. Ein Rotorbolzen 72 wird benutzt, um das Ende des Rotors, das dem Target 56 am nächsten 4

AT 403 630 B liegt, von der Rotornabe 74 im Abstand zu halten. Die Lager, sowohl das vordere 66 als auch das rückwärtige 68, werden durch Lagerhalter 78 bzw. 80 an Ort und Stelle gehalten. Die Rotorbaueinheit schließt auch einen Fußring und einen Fuß ein, die die Rotation des Rotors 58 mit dem Target 56 unterstützen.

Die Temperatur im Bereich des Glühfadens 68 kann bis zu etwa 2.500 *C hoch sein. Andere Temperaturen schließen etwa 1.100*C nahe dem Zentrum des rotierenden Targets 56 ein, das mit etwa 10.000 min-1 rotiert. Temperaturen des Brennfleckes auf dem Target 56 können sich 3.200 *C nähern, und Temperaturen an der Außenkante des rotierenden Targets 56 nähern sich etwa 1.300 · C. Die Temperatur im Bereich der Rotornabe 74 nähert sich 700 * C und die des vorderen Lagers nähert sich maximal 450 * C. Bewegt man sich vom Target 56 zum Rotor 58 und Stator 43, dann nimmt die Temperatur offensichtlich ab. Während des Betriebes einiger Röntgensysteme mit Targets größeren Durchmessers haben Verwender mit stark beanspruchendem Protokoll bzw. Behandlungsplan die Verwendung des Systems maximiert, indem möglichst viele Abtastungen bzw. Scans bei Spitzenleistung in möglichst kurzer Zeit durchgeführt werden. Eines der Probleme bei der Verwendung eines Röntgensystems in dieser kontinuierlichen Betriebsart ist die Menge der erzeugten Wärme, die tatsächlich die Lager 66,68 und insbesondere das vordere Lager 66 zerstören kann. Läßt man das Röntgentarget 56 und den Rotor 58 zwischen Abtastungen kontinuierlich mit 10.000 min'1 rotieren, dann würden die Lager vorzeitig verschleißen und ein Versagen der Röhre verursachen. Wenn daher mehr als 60 Sekunden zwischen Abtastungen auftreten, ist die das Röntgensystem betreibende Software so programmiert, daß sie den Rotor durch schnelles Verlangsamen bis auf 0 min'1 abbremst. Wenn eine Abtastung beginnen soll, dann ist die Software zur Kontrolle des Systems so programmiert, daß sie das Target und den Rotor so schnell wie möglich wieder auf 10.000 min'1 bringt. Diese raschen Beschleunigungen und Abbremsungen werden benutzt, weil es, neben anderen Gründen, eine Anzahl von Resonanzfrequenzen gibt, die während der Beschleunigung von 0 auf 10.000 min'1 und dem Abbremsen von 10.000 auf 0 min'1 vermieden werden müssen. Um durch diese Resonanzfrequenzen sowohl unmittelbar vor einer Abtastung oder einer Reihe von Abtastungen und nach einer Abtastung oder einer Reihe von Abtastungen so rasch wie möglich hindurchzukommen, wendet das Röntgensystem eine maximale Leistung an, um das Target oder die Anode in der geringst möglichen Zeit auf 10.000 min'1 oder herunter auf 0 min-1 zu bringen.

Es ist zu bemerken, daß das Röntgentarget und der Rotor von 0 min-1 in etwa 12 bis etwa 15 Sekunden auf 10.000 min'1 beschleunigt und in etwa der gleichen Rate verlangsamt werden können. Die Vibration aufgrund von Resonanzfrequenzen ist ein Problem, wenn man die Röhre sich bis zu einem Halt drehen läßt, ohne zu bremsen.

Es wurde festgestellt, daß während dieser schnellen Beschleuigungen auf 10.000 min'1 und dem sofortigen Abbremsen von 10.000 min'1 auf 0 Spannungen, mechanische als auch thermische, auf den Rotor 58 und die Verbindung zwischen Target und Fuß einwirken. Diese Spannungen können zum Ungleichgewicht der Anodenbaueinheit beitragen, von dem angenommen wird, daß es das vorzeitige Versagen von etwa 20% der kürzlichen Fehler von GE-Röntgenröhren verursacht hat. Es wurde festgesteilt, daß diese Probleme des Ungleichgewichtes am wahrscheinlichsten durch Veränderungen verursacht werden, die im Bereich der Befestigung des Targets 56 und des Fußes 84 auftreten. ln Figur 4 ist eine repräsentative Kombination aus Target und Fuß dargestellt, die die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform verkörpert, und die allgemein durch die Bezugszeichen 100 bezeichnet ist. Die Kombination 100 aus Target und Fuß umfaßt das Target 102, das vorzugsweise aus Molybdänlegierung TZM hergestellt ist, und eine Brennspur 104, die durch konventionelle, metallurgische Mittel mit dem Target verbunden ist, um die durch die Kathode 68 erzeugten Röntgenstrahlen durch das (in Figur 2 gezeigte) Fenster 64 zu reflektieren. Ein Einsatz 106 zum Diffusionsverbinden mit dem Fuß 108 wird während der Herstellung des Targets 102 gleichzeitig hergestellt. Das Target ist vorzugsweise eine Pulvermetallurgie-Legierung, die vorzugsweise mit allen Verfahren, die für die Target-Herstellung benutzt werden, verträglich ist, einschließlich: Pulverherstellung, Werkzeugpressen, Sintern, Schmieden, Glühen und Überziehen oder Hartlöten mit einem (nicht gezeigten) Graphit-Rückenteil. Die Einsatzlegierung sollte auch in der Lage sein, eine geringe Korngröße, hohe Festigkeit und gute Duktilität während der Kombination von Verfahrensstufen aufrechtzuerhalten, die während der Herstellung des Targets benutzt werden, das den Einsatz, mit dem inneren Abschnitt des Targets entlang der Naht 110 verbunden, einschließt. Ein solches Material ist Tantal. Der Einsatz könnte auch ausgewählt sein aus einer Gruppe von Materialien, umfassend: Ta-10W (Ta, 10W); T-111 (Ta, 8W, 2Hf); T-222 (Ta, 9.6W, 2,4Hf, 0,01 C); ASTAR-811C (Ta, 8W, 1Re, 1Hf, 0.025C); GE-473 (Ta, 7W, 3Re); Ta-2,5W (Ta, 2,5W) und Ta-130 (Ta mit 50-200 ppm Y) oder andere Metalle, die die obigen Kriterien erfüllen, und die Verbindung zwischen dem Fuß und dem Target für mindestens etwa 40.000 Scan-Sekunden aufrechterhalten können. 5

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Ein Vorteil der Materialien, sowohl für den Fuß als auch den Einsatz, die oben erwähnt sind, ist, daß der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Fußmaterials größer als der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Einsatzmaterials ist, der wiederum größer als der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Targetmaterials Ist. Um ein wirksames Diffusionsverbinden zwischen allen drei Komponenten zu 5 erzielen, ist ein inniger Kontakt zwischen benachbarten Komponenten bei der Temperatur zum Diffusionsverbinden erforderlich. Die oben erwähnten Unterschiede in den Koeffizienten der thermischen Ausdehnung bei den Temperaturen des Diffusionsverbindens führen zu einem Kompressionsdruck zwischen den Komponenten (Fuß, Einsatz und Target), wodurch der erforderliche, innige Kontakt sichergestellt ist.

Der Fuß 108 ist vorzugsweise aus Niob und bevorzugter aus Niobbasislegierung hergestellt, ausgewählt io aus der Gruppe, umfassend: CB-752 (Nb, 10W, 2,5Zr); C129Y (Nb, 10W, 10Hf, 0,1Y); FS-85 (Nb, 28Ta, 11W, 0,8Zr) und C103 (Nb, lOHf, 1 Ti, 0,7Zr), von denen C103 am meisten bevorzugt ist, oder anderen Metallen, die die obigen Kriterien erfüllen.

Das Fußende 112, das Kontakt mit dem Einsatz 106 herstellt, ist, wie der Einsatz 106, leicht abgeschrägt. Diese Abschrägung bzw. Verjüngung erleichtert das Druckeinsetzen des Fußes 108 in den 15 Einsatz 106, so daß genügend Druck für die Diffusionsverbindung der beiden geschaffen wird. Der Fuß 108 kann einen Flansch 114 aufweisen, der sich ebenfalls durch Diffusion mit dem Einsatz 106 verbindet. Der Fuß kann auch ein hohles Inneres 116 aufweisen, um die Wärmeleitung über den Fuß zum Rotor und den Lagern zu verringern.

Die Kombination aus Target und Fuß der vorliegenden Erfindung erfordert ein Überziehen des Einsatzes 20 aus Tantallegierung und/oder des Fußes. Der Begriff "Überzug” bzw. "Überziehen" wird in diesem Falle benutzt, um auf ein "verbrauchbares Hartlot" oder einen ''Diffusionsförderer" Bezug zu nehmen. In diesem besonderen Falle bezieht er sich auf eine dünne Schicht zwischen den beiden in Kontakt stehenden Oberflächen (zum Beispiel einem Fuß, der beipielsweise aus C103 hergestellt ist und/oder einem Einsatz, der beispielsweise aus Ta-10W hergestellt ist), die die gegenseitige Diffusion zwischen den beiden Metallen 25 fördert.

Werden die Oberflächen der Nb- und Ta-Legierung bei erhöhten Temperaturen in Berührung gebracht, dann findet eine wechselseitige Diffusion statt. Nb-Atome diffundieren in die Ta-Legierung und Ta-Atome diffundieren in die Nb-Legierung. Sowohl in der Ta- und der Nb-Legierung vorhandene Elemente diffundieren jedoch schneller in Ti (als einem Beispiel) als in Ta oder Nb. Ist eine dünne Schicht aus Ti zwischen 30 den in Kontakt stehenden Oberflächen angeordnet, dann diffundieren sowohl Ta- als auch Nb-Atome rasch in den Ti-Überzug und vermischen sich. Die Ti-Atome diffundieren gleichzeitig in die Metalle der Ta-Legierung und der Nb-Legierung. Während das Ti wegdiffundiert, hinterläßt es einen Bereich vermischter Ta-, Ti- und Nb-Legierungen, was eine Diffusionsverbindung gegenüber dem fördert, was mit den beiden Legierungen allein bewerkstelligt werden könnte. Der Schlüssel zum Gebrauch des Überzuges ist, daß er 35 dünn genug sein muß, so daß nach einer spezifischen Zeitdauer der größte Teil des Überzuges in die beiden Grundmetalle (zum Beispiel Nb- und/oder Ta-Legierungen) diffundiert ist. Auch muß die Diffusionsrate von Ta und Nb in der Überzugsschicht, zum Beispiel Ti, höher sein als in Nb bzw. Ta.

In einem spezifischen Experiment wurde ein Diffusionspaar zwischen einer Nioblegierung (C103) und einer Tantallegierung (Ta-10W) geschaffen. Es wurde ein 1 um dicker Überzug zwischen den in Kontakt 40 stehenden Oberflächen der C103 und der Ta-lOW angeordnet. Nach etwa 3 Stunden bei 1.400 *0 existierte keine Ti-reiche Region mehr. Wo der Ti-Überzug angeordnet worden war, existierte nun eine Region von Ta, Nb und Ti; während der Überzug zum Beispiel eine Dicke von 1 um aufwies, existierte nach dem Diffusions-Verbinden keine Ti-reiche Region (d.h. größer 50% Ti), doch ist Ti in einer gewissen Menge über mehr als 10 um von der ursprünglichen Grenzfläche vorhanden. Wurde ein Verbinden von C103 mit Ta-45 10W ohne Überzug bei 1.300*0 für etwa 3 Stunden ausgeführt, stellte man fest, daß es weniger als 4 um der gegenseitigen Diffusion gab. Verband man dagegen 0103 mit Ta-10W unter Einsatz eines 1 um dicken Ti-Überzuges bei 1.300 * 0 für etwa 3 Stunden, dann wurden etwa 10 um der gegenseitigen Diffusion festgestellt.

Beipiele potentieller Überzugsmaterialien schließen ein: Titan, Niob-Titan-Legierungen, Aluminium und so TitanVanadium-Zirkonium-Legierungen (Zirkonium bei weniger als 30 Atom-%). Während die obige Liste der potentiellen Überzüge angemessen erscheinen mag, sollte ein Überzugsmaterial für die schnelle Diffusion von Nb, Ta und Mo in das Überzugsmaterial sorgen. Ein Überzugsmaterial sollte nach Kombination mit Nb, Ta und Mo bei den Bedingungen der Wärmebehandlung fest bleiben. Irgendwelche Elemente in dem Überzug sollten mindestens einen gewissen Grad der Löslichkeit in Nb-, Ta-55 und Mo-Legierungen oder anderen Materialien haben, die für den Fuß, den Einsatz bzw. das Target ausgewählt wurden.

Es sollte klar sein, daß bei der Fuß/Target-Kombination die Position des Überzuges folgende sein könnte: das Target, der Einsatz, der Überzug und dann der Fuß; das Target, der Überzug, der Einsatz und 6

Claims (10)

1. AT 403 630 B dann der Fuß und das Target, der Überzug, der Einsatz, zusätzlicher Überzug und der Fuß. Spezifisch könnte das Überzugsmaterial auf den äußeren Abschnitt des Fußes, entweder den inneren oder den äußeren Abschnitt des Einsatzes, wobei der innere Abschnitt der ist, wo er im Kontakt mit dem Fuß stehen würde, und der äußere Abschnitt der ist, wo er in Kontakt mit dem Target stehen würde, oder den inneren Teil des Targets aufgebracht werden, wobei dieser innere Abschnitt der ist, wo das Target in Kontakt mit dem Einsatz stehen wurde. Ein Vorteil der Materialien, sowohl für den Fuß als auch den Einsatz, die oben erwähnt sind, ist, daß der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Fußmaterials größer als der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Einsatzmaterials ist, der wiederum größer als der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Targetmaterials ist. Um ein wirksames Diffusionsverbinden zwischen allen drei Komponenten zu erzielen, ist ein inniger Kontakt zwischen benachbarten Komponenten bei der Temperatur zum Diffusionsverbinden erforderlich. Die oben erwähnten Unterschiede in den Koeffizienten der thermischen Ausdehnung bei den Temperaturen des Diffusionsverbindens führen zu einem Kompressionsdruck zwischen den Komponenten (Fuß, Einsatz und Target), wodurch der erforderliche, innige Kontakt sichergestellt ist. Wie in Figur 4 gezeigt, sorgt die Verbindung entlang dem Saum bzw. der Naht 110 und zwischen den Wandungen 120, 121 und 122 für eine einheitliche Konstruktion aus Target 102 und Fuß 106, die gegenüber strukturellen Veränderungen während der Belastung, die durch die oben erwähnten Anwendungen unter stark beanspruchendem Protokoll bzw. Behandlungsplan verursacht werden, beständiger ist. Da festgestellt wurde, daß die Probleme des mangelnden Gleichgewichtes höchstwahrscheinlich durch Änderungen verursacht werden, die im Bereich der Befestigung des Fußes am Target auftreten, wird davon ausgegangen, daß die veranschaulichten Konstruktionen die relativen Positionsänderungen zwischen Fuß und Target zumindest verringern, wodurch die Probleme des mangelnden Rotor-Gleichgewichtes merklich vermindert werden. Während die hier offenbarten Gegenstände bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bilden, sollte klar sein, daß die Erfindung nicht auf diese Gegenstände beschränkt ist, und daß Änderungen vorgenommen weden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Patentansprüche 1. Drehanode (100) für eine Röntgenröhre, mit einem Target (102) und einem Fuß (108), wobei das Target mit dem Fuß über eine Metall/Metafl-Diffusionsverbindung verbunden ist, wobei der Fuß (108) aus einer Legierung gefertigt ist, deren Hauptbestandteil Niob ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Target (102) und Fuß (108) ein verbindungsfördernder Überzug mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 um angeordnet ist.
2. 2. Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verbindungsfördemde Überzug aus der Gruppe: Titan, Niob-Titan-Legierungen, Aluminium und Titan-Vanadium-Zirkonium-Legierungen (Zirkonium zu weniger als 30 Atom-%) ausgewählt ist.
3. 3. Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der verbindungsfördernde Überzug eine dünne Schicht aus Titan ist, die zwischen den in Kontakt stehenden Oberflächen angeordnet ist.
4. 4. Drehanode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Target (102) und dem Fuß (108) ein Einsatz (106) angeordnet ist, wobei der Überzug zwischen dem Target und dem Einsatz und/oder zwischen dem Einsatz und dem Fuß liegt.
5. 5. Drehanode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der Fuß (108) mit dem verbindungsfördernden Überzug überzogen ist und dieser mit dem Einsatz (106) in Berührung steht.
6. 6. Drehanode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß das Target (102) mit dem verbindungsfördernden Überzug überzogen ist und dieser mit dem Einsatz (106) in Berührung steht.
7. 7. Drehanode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (106) mit dem verbindungsfördernden Überzug überzogen ist und dieser mit dem Target (102) und/oder mit dem Fuß (108) in Berührung steht. 7 AT 403 630 B
8. 8. Drehanode nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (106) aus einer Legierung gefertigt ist, deren Hauptbestandteil Tantal ist.
9. 9. Drehanode nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (106) aus einem Material aus der Gruppe (Ta); (Ta, 10W); (Ta, 8W, 2Hf); (Ta, 9.6W, 2.4Hf, 0.01C); (Ta, 8W, 1Re, 1Hf, 0.025C); (Ta, 7W, 3Re); (Ta, 2.5W); (Ta mit 50-200ppm Y) gefertigt ist, wobei (A, nB. mC, ...) eine Legierung mit n Atom-% B, m Atom-% C usw. und Rest A angibt.
10. 10. Drehanode nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Fußmaterials größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Einsatzmaterials und dieser wiederum größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Targetmaterials ist. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 8