<Desc/Clms Page number 1>
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer rotierenden Röntgenröhre mit einer Kathode und mit einer Anodenanordnung, welche ein Anodentarget enthält.
Röntgenröhren sind zu einem wesentlichen Bestandteil medizinisch diagnostischer Bildgebungsverfahren, medizinischer Therapien und zahlreicher medizinischer Untersuchungen sowie der Materialanalyseindustrie geworden. Typische Röntgenröhren sind mit einer rotierenden Anodenstruktur aufgebaut, um die im Brennpunkt erzeugte Wärme zu verteilen. Die Anode wird von einem Induktionsmotor gedreht, der aus einem zylindrischen Rotor, welcher in eine frei auskragende Achse eingebaut ist, die das scheibenförmige Anodentarget trägt, und einer Eisenstatorstruktur mit Kupferwicklungen besteht, welche den den Rotor enthaltenden langgestreckten Hals der Röntgenröhre umgibt. Der Rotor der Drehanodenanordnung, welcher von dem den Rotor umgebenden Stator angetrieben wird, liegt auf anodischem Potential, wogegen der Stator elektrisch an Masse liegt.
Die Röntgenröhrenkathode erzeugt einen fokussierten Elektronenstrahl, der über den Vakuumspalt zwischen Anode und Kathode beschleunigt wird, um beim Aufprall auf die Anode Röntgenstrahlen zu erzeugen.
Bei derartigen Röntgenröhren mit einer Drehanode besteht das Target üblicherweise aus einer Scheibe aus einem hitzebeständigen Metall wie Wolfram, und Röntgenstrahlen werden erzeugt, indem der Elektronenstrahl auf dieses Target auftreffen gelassen wird, während das Target mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird. Die Drehung des Targets wird erreicht, indem der Rotor angetrieben wird, welcher auf einem Trägerschaft sitzt, der sich vom Target weg erstreckt. Eine solche Anordnung ist typisch für rotierende Röntgenröhren und seit ihrer Einführung in ihrem Betriebskonzept im wesentlichen unverändert geblieben.
Die Betriebsbedingungen für Röntgenröhren haben sich jedoch in den letzten zwei Jahrzehnten beträchtlich geändert. Auf Grund der ständig steigenden Anforderungen von Radiologen nach noch höherer Leistung aus Röntgenröhren werden bei immer mehr Röhren Kompositdrehanoden mit Wolfram-Rhenium als Schicht, Molybdänlegierungen als Substrat und hartgelötetem Graphit als Wärmesenke verwendet.
Die Anwendung des Trägheitsschweissverfahrens, wie es im US-A-5,592,525 offenbart ist, hilft mit, Probleme zu vermeiden, die mit der Befestigung des Schaftes am Target verknüpft sind. Eine auf das Target aufgebrachte höhere Leistung führt jedoch zu mehr Wärme, die zum unteren Abschnitt der integralen Target/Schaft-Anordnung und damit zum Lager wandert, was die Lebensdauer der Röhre beeinträchtigt. Bei einigen Anwendungen ist die Temperatur so hoch, dass Kräfte, die zwischen dem Targetflansch und der damit zusammenpassenden Thermobarriere herrschen, zu einer plastischen Verformung des TZM-Schaftes führen. Ein solcher TZM-Schaft hat keine ausreichende Festigkeit auf Grund der Rekristallisation, welche während des Hartverlötens des Graphits mit der Targetkappe bei 1600-1800 C auftritt.
Als Folge der hohen Temperatur am Bodenabschnitt und der plastischen Verformung des Targetschafts entsteht eine Unwucht, was wiederum zu einem vorzeitigen Ausfall der Röhre führt.
Die US-A-5,699,401 offenbart eine Röntgenröhre, bei der die Schaft/Target-Anordnung durch eine Presspassung und eine anschliessende Diffusionsverbindung unter Vorsehen eines zylinderförmigen Einsatzes zwischen Schaft und Anodentarget gebildet wird, und eine Platte mit dem Schaft verschweisst wird, welche zur Unterstützung der mechanischen Befestigungsmittel zur Verbindung mit dem Rotor dient. Die Nachteile der bekannten Röntgenröhre sind durch eine geringere Festigkeit und Wärmebeständigkeit gegeben.
Mit stetig steigenden Targetdurchmessern und-gewichten wird die strukturelle Festigkeit des Schaftes ein kritischer Faktor, der die Reduktion der Querschnittsfläche des Schaftes beschränkt.
Dies wird noch durch die Tatsache verschlimmert, dass die Target/Schaft-Anordnung während des Verbindens des Graphits mit dem Metallabschnitt des Targets (bei einer typischen Temperatur von 1600-1800 C) einer Hochtemperaturbehandlung unterzogen wird. Dieser Vorgang verringert die Festigkeit des Schaftes, was das Auftreten einer plastischen Verformung des unteren Abschnittes des Schaftes zur Folge haben kann ; Problem wird von der vorliegenden Erfindung behan- delt.
Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Röntgenröhrentargetanordnung mit reduzierter Wärmeleitung zu schaffen, um die mit den bekannten Anordnungen verknüpften Probleme zu überwinden und dadurch die Lebensdauer des Röntgenröhrentargets und Leistungsfähigkeit der Röntgenröhre und des Anodentargets zu erhöhen.
Das erfin-
<Desc/Clms Page number 2>
dungsgemässe Verfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus:
Anschweissen eines Schaftes an das Anodentarget an einer ersten Schweissstelle zur Bildung einer integralen Schaft/Target-Anordnung, wobei die erste Schweissstelle einen ersten Endbereich des Schaftes definiert; anschliessendes Hartverlöten einer Wärmesenke mit der integralen Schaft/Target-Anordnung; und nachfolgend
Verschweissen einer Nabe mit einem zweiten Endbereich des Schaftes an einer zweiten Schweissstelle zur Bildung einer Naben/Target-Anordnung.
Nach einem weiteren Verfahrensmerkmal enthält die Naben/Target-Anordnung, wie an sich bekannt, ein Niobmaterial, vorzugsweise eine Nioblegierung.
Nach einem anderen Verfahrenskennzeichen weist der Schaft, wie an sich bekannt, eine Molybdänlegierung und die Nabe eine Niob- oder Nioblegierung auf.
Alternativ bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Reduzieren der Wärmeleitung durch einen Schaft einer Röntgenröhrenanordnung, mit den Schritten:
Zurverfügungstellen einer Kathode, welche Elektronen emittiert ;
Zurverfügungstellen eines Anodentargets, welches Röntgenstrahlen als Reaktion auf das Elektronenbombardment ausstrahlt ;
Anschweissen eines Schaftes an das Anodentarget an einer ersten Schweissstelle, zur Bildung einer integralen Schaft/Target-Anordnung, wobei die erste Schweissstelle einen ersten Endbereich des Schaftes definiert und der Schaft, wie an sich bekannt, aus einem Molybdänlegierungsmaterial gefertigt ist;
Hartverlöten einer Wärmesenke mit der integralen Schaft/Target-Anordnung;
und anschliessend
Definieren einer zweiten Schweissstelle an einem zweiten Ende des Schaftes zur Verbindung einer Nabe mit dem Schaft, um eine Naben/Target-Anordnung zu schaffen, wobei die Nabe aus einem Material gefertigt ist, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat als das Molybdänlegierungsmaterial des Schaftes.
Vorzugsweise umfasst die Wärmesenke, wie an sich bekannt, Graphit.
Die Erfindung und Vorteile derselben gehen aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Röntgenröhre nach dem Stand der Technik, und Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäss aufgebauten Röntgenröhre.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine typische Röntgenröhre 10 nach dem Stand der Technik. Die Röntgenröhre 10 ist typischerweise mit einer rotierenden Anodenanordnung 12 aufgebaut, mit einer zugeordneten Schaft/Target-Anordnung 14,16, um die im Brennpunkt erzeugte Wärme zu verteilen. Die Anodenanordnung 12 wird durch einen Induktionsmotor gedreht, der einen zylindrischen Rotor 18 aufweist, welcher um eine frei auskragende Achse 20 herum aufgebaut ist. Die frei auskragende Achse 20 trägt ein scheibenförmiges Anodentarget 16, typischerweise mit einem Wolfram-Rheniumbereich 17 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen und einem Graphitabschnitt, welcher als Wärmesenke dient. Das Anodentarget 16 ist über einen Zapfen- und Nabenabschnitt 22 an den Rotor 18 und die auskragende Achse 20 angeschlossen, welche Lager enthält, die die Drehung ermöglichen.
Der Rotor 18 der Anodenanordnung 12, welcher von einem Stator des Induktionsmotors angetrieben wird, liegt auf anodischem Potential, während der Stator elektrisch an Masse gelegt ist.
In einer typischen Anordnung sind die Anodenanordnung 12 und eine Kathodenanordnung in einem Glasrahmen versiegelt und in einem leitenden Metallgehäuse montiert. Ein Isolatormaterial ist zwischen dem Stator und dem Glasrahmen und Rotor 18 angeordnet. Die Kathodenanordnung (nicht gezeigt) der Röntgenröhre 10 erzeugt einen fokussierten Elektronenstrahl, der über den grossen Vakuumspalt zwischen Anodenanordnung 12 und Kathodenanordnung beschleunigt wird und beim Auftreffen auf die Anode Röntgenstrahlen erzeugt.
Bei Anordnungen nach dem Stand der Technik, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, wird der Schaft 14 mit dem Target 16 verschweisst ; Schaft 14 der integralen Schaft/Target-Anordnung 14,16 wird dann spanabhebend bearbeitet. Graphit wird mit der integralen Schaft/TargetAnordnung 14,16 hartverlötet, und eine Nabe 22, typischerweise aus einer Nickellegierung, wird mit dem Boden des Schaftes 14 hartverlötet. Wenn jedoch eine höhere Leistung auf das Target 16 aufgebracht wird, wandert mehr Wärme zum unteren Abschnitt, d. h. zum Nabenabschnitt 22 der
<Desc/Clms Page number 3>
integralen Schaft/Target-Anordnung 14,16 und somit zum Lager, das der frei auskragenden Achse 20 zugeordnet ist, was die Lebensdauer der Röntgenröhre 10 beeinträchtigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 schafft die vorliegende Erfindung eine signifikante Verbesserung der Hochtemperaturleistungsfähigkeit der Targetanordnung 12. Wie in Fig. 2 ersehen werden kann, ist ein Schaft 26 an ein Anodentarget 16 an einer ersten Schweissstelle 28 angeschweisst. Das Anodentarget 16 kann zur Vorbereitung eines Hartlötschrittes spanabhebend bearbeitet werden. Eine Graphitscheibe 32 zum Dissipieren von Wärme wird dann typischerweise durch Hartlöten mit dem Anodentarget 16 verbunden. Dies hat den wünschenswerten Effekt einer Zunahme des Volu- mens der Anodenanordnung 12, ohne das Gewicht der ShaftlTarget-Anordnung 24 signifikant zu erhöhen. Eine zweite Schweissung wird dann an einer Schweissstelle 34 gemacht, um eine Nabe bzw.
Schaft/Naben-Anordnung 22 aus Niob oder einer Nioblegierung mit dem Ende des Schaftes 26 zu verschweissen, welches dem Anodentarget 16 gegenüberliegt. Ein spanabhebendes Bearbei- ten bis auf die gewünschte Geometrie bzw. Flanschausbildung kann dann durchgeführt werden, abhängig von der jeweiligen Anwendung.
Die vorliegende Erfindung ersetzt somit den Schritt des Hartverlötens der Nabe 22 mit dem Schaft 14 durch den Schritt des Verschweissens der Nabe 22 mit dem Schaft 26. In Einklang mit den Vorteilen, die durch einen solchen Schritt erzielt werden, werden im Rahmen der Erfindung insbesondere Niob oder Nioblegierungen für den Nabenabschnitt 22 der Schaft/Target-Anordnung 24 verwendet. Diese Materialien weisen eine signifikant geringere Wärmeleitfähigkeit als TZM oder andere Molybdänlegierungen auf, aus welchen typischerweise der Rest des Schaftes 26 aufgebaut ist. Dies ermöglicht es, dass der Schaft 26 (strukturell) einen ausreichend grossen Querschnitt aufweist, während gleichzeitig die Wärmeleitung zu den Lagern beträchtlich reduziert wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren verbessert die Hochtemperaturleistungsfähigkeit des Rönt- genröhrentargets.
Erfindungsgemäss werden folgende Schritte durchgeführt : TZM- oder Molybdänlegierungsschaft 26 wird mit dem Anodentarget 16 verschweisst ; 32 wird mit der Schaft/Target- Anordnung 24 hartverlötet; dann wird eine zweite Schweissung durchgeführt, um die Niob- bzw.
Nioblegierungsnabe 22 mit dem Schaftende 26 gegenüber dem Anodentarget 16 zu verschweissen.
Die Erfindung reduziert die Wärmeleitung durch den Schaft 26 und erlaubt es dem Niob bzw. der Nioblegierung, seine hohe Festigkeit beizubehalten, ohne den Hartlöttemperaturen unterworfen zu werden. Die Erfindung hat den Vorteil einer Reduzierung der plastischen Verformung des unte- ren Abschnittes des Schaftes 26 (d. h. des Nabenbereiches) und ermöglicht die Verwendung redu- zierter Querschnitte, was wiederum die Wärmeleitung zu den Lagern reduziert, die der frei auskra- genden Achse zugeordnet sind, und die Lebensdauer der Röntgenröhre 10 erhöht.
Fachleuten ist klar, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise besteht eine andere Lösung darin, geeignete Molybdänlegierungen (wie TZM, Legierung 2, HCM, ZHM, Ta-Hf-Zr- Legierungen usw. ) mit dem hartverlöteten Anodentarget 16 zu verschweissen, ebenfalls nachdem der Graphit 32 mit dem Anodentarget 16 verlötet worden ist. Die anschliessende Vermeidung der Rekristallisationsbehandlung ermöglicht es den Schaftmaterialien, ihre hohe Festigkeit beizubehal- ten, die plastische Verformung des unteren Abschnittes des Schaftes 26 zu reduzieren und da- durch die Lebensdauer der Röntgenröhre 10 zu erhöhen.