AT501381A2 - Anodentargetanordnung zur verwendung in einer drehanoden-röntgenröhre - Google Patents

Description

  DIPL-ING. WALTER HOLZER
DIPL.-ING. OTTO PFEIFER
DIPL-ING. DR. TECHN. ELISABETH SCHOBER
A-1010 WIEN, SCHO[pi]ENRING 16, BÖRSEGEBÄUDE
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anodentargetanordnung zur Verwendung in einer Drehanoden-Röntgenröhre.
Röntgenröhren sind zu einem wesentlichen Bestandteil in der medizinisch-diagnostischen Bildgebung, der medizinischen Therapie, verschiedensten medizinischen Tests und der WerkstoffUntersuchungsindustrie geworden. Typische Röntgenröhren sind mit einer sich drehenden Anodenstruktur aufgebaut, um die am Brennpunkt erzeugte Wärme zu verteilen.

   Die Anode wird von einem Induktionsmotor gedreht, der aus einem zylindrischen Rotor besteht, welcher in eine auskragende Achse eingebaut ist, die das scheibenförmige Anodentarget trägt, und einer Eisenstatorstruktur mit Kupferwicklungen, welche den langgestreckten Hals der Röntgenröhre umgibt, der den Rotor enthält. Der Rotor der Drehanodenanordnung, welcher von dem den Rotor der Anodenanordnung umgebenden Stator angetrieben wird, liegt auf anodischem Potential, während der Stator elektrisch geerdet ist.

   Die Röntgenröhrenanode erzeugt einen fokussierten Elektronenstrahl, welcher über den Vakuumspalt zwischen Anode und Kathode beschleunigt wird und beim Auftreffen auf der Anode Röntgenstrahlen erzeugt .
Bei Röntgenröhrenvorrichtungen mit einer drehbaren Anode bestand das Target früher aus einer Scheibe aus hitzebeständigem Metall, wie Wolfram, und Röntgenstrahlen werden erzeugt, indem der Elektronenstrahl auf dem Target auftreffen gelassen wird, während das Target mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird. Die Drehung des Targets wird durch Antreiben des Rotors erzielt, welcher auf einer sich vom Target aus erstreckenden Trägerwelle vorgesehen ist.

   Eine solche Anordnung ist typisch für rotierende Röntgenröhren und ist seit ihrer Einführung in ihrem Betriebskonzept im wesentlichen unverändert geblieben.
Die Betriebsbedienungen für Röntgenröhren haben sich jedoch in den letzten zwei Jahrzehnten beträchtlich geändert. Aufgrund der kontinuierlichen Nachfrage von Radiologen nach höherer Leistung aus Röntgenröhren werden bei immer mehr Röhren Kompositdrehanoden mit Wolfram-Rhenium als Brennspurschicht, einer Molybdänlegierung (typischerweise TZM) als Substrat und hartverlötetem Graphit als Wärmesenke verwendet .
Die hohen Leistungsniveaus erhöhen die Betriebstemperaturen der Anode, was, wenn sie gross genug sind, zu einer elastischen Hochtemperatur-Ringspannungsverformung des Molybdänlegierungssubstrates führen kann. Die Grösse der Spannungen nimmt in Richtung auf den Mittelpunkt der Anode hin zu.

   Grosse Ringspannungen können Beanspruchungen in der metallurgischen Verbindung zwischen dem Legierungssubstrat und der Graphitwärmesenke erzeugen. Die Grösse dieser Beanspruchungen setzt der maximalen Grösse, der Drehgeschwindigkeit und der höchsten zulässigen Temperatur des Legierungssubstrates Grenzen. Wenn die Beanspruchung einen Schwellwert überschreitet, kann eine vollständige Ablösung der Graphitwärmesenke das Ergebnis sein.

   Die Erfindung zielt darauf ab, eine Anodentargetanordnung zu schaffen, welche die Leistungsgrenzen fortschrittlicher Röntgenröhren erhöht .
Die erfindungsgemässe Anodentargetanordnung zeichnet sich aus durch eine Graphitscheibe, ein Molybdänlegierungsblatt , eine erste Hartlotlegierung zum Verbinden der Graphitseheibe mit dem Molybdänlegierungsblatt, ein Molybdänlegierungssubstrat,

   und eine zweite Hartlotlegierung zum Verbinden des Molybdänlegierungsblattes mit dem Molybdänlegierungssubstrat .
Vorzugsweise umfassen das Molybdänlegierungsblatt und das Molybdänlegierungssubstrat TZM.
Nach einem anderen Erfindungsmerkmal ist die erste Hartlotlegierung eine Reinmetallhartlotlegierung.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal ist die Reinmetallhartlotlegierung aus der Gruppe bestehend aus Reintitanhartlotlegierung und Reinzirkonhartlotlegierung ausgewählt.
Erfindungsgemäss hat die zweite Hartlotlegierung eine Schmelztemperatur unter der Rekristallisationstemperatur des Molybdänlegierungssubstrates und eine WiederaufSchmelztemperatur nach dem Hartverlöten über der Rekristallisationstemperatur des Molybdänlegierungssubstrates.
Die Vorteile der erfindungsgemässen Anodentargetanordnung sind eine höhere Umformfestigkeit des Molybdänsubstrates und geringere 

  Rotations-Ringspannungen an der Substrat-Graphitschnittstelle, was die Gefahr eines vorzeitigen Ausfalles durch Verringerung der Möglichkeiten eines Bruches in der Graphitscheibe reduziert .
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen hervor, in denen:
Fig. 1 ein Querschnitt einer Röntgenröhre gemäss dem Stand der Technik ist;
Fig. 2 ein Querschnitt einer Röntgenröhre gemäss der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 eine gesprengte Darstellung der Anodentargetanordnung von Fig. 2 ist; und
Fig. 4 ein logisches Flussdiagramm für das Ausbilden der Anodentargetanordnung von Fig. 3 ist.
In den Zeichnungen werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Komponenten zu bezeichnen.

   Die vorliegende Erfindung wird in Computertomographiesystemen mit rotierenden Röntgenröhren eingesetzt, bei welchen ein Drehanodensystem und eine Kathodenanordnung verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Röntgenröhrenanode 10 mit einer Drehanodenanordnung 12 gemäss dem Stand der Technik. Die Anodenanordnung 12 wird von einer Lagerwelle 20 gedreht, welche ein scheibenförmiges Target 14 trägt, typischerweise mit einem Wolfram-Rhenium-Bereich 18 für die Erzeugung von R[delta]ntgenstrahlen, einem Molbydänlegierungssubstrat 48 für die strukturelle Abstützung und einer Graphitscheibe 16, die als Wärmesenke wirkt. Das Target 14 ist über den Stiel 24 an die Lagerwelle 20 angeschlossen, welche von Lagern 22 abgestützt wird, die eine Drehung ermöglichen.

   Die Graphitscheibe 16 ist mit dem Molbydänlegierungssubstrat 48 mit Hilfe einer Hartlotlegierung (nicht gezeigt) , bestehend aus entweder reinem Titan, reinem Zirkon oder Legierungen auf Titan- bzw. Zirkonbasis, verbunden. Das Ende der Lagerwelle 20 ist an einem Rotor (nicht gezeigt) befestigt, der von einem Stator (nicht gezeigt) eines Induktionsmotors (nicht gezeigt) angetrieben wird. Die gesamte drehende Anordnung 12 liegt auf anodischem Potential, während der Stator elektrisch geerdet ist.
In einer typischen Anordnung sind die Drehanodenanordnung 12 und die Kathodenanordnung (nicht gezeigt) in einer Vakuumumhüllung abgedichtet enthalten (entweder eine Glas- oder eine hartverlötete Metallkonstruktion) und in einem wärmeleitenden Metallgehäuse (nicht gezeigt) montiert. Die Drehanodenanordnung 12, der Stator und die Vakuumumhüllung sind elektrisch voneinander isoliert.

   Eine typische Röntgenröhrenanode 10 weist ferner eine Röntgenröhrenkathodenanordnung (nicht gezeigt) auf, um einen fokussierten Elektronenstrahl zu erzeugen, welcher über einen grossen Vakuumspalt zwischen Anode und Kathode beschleunigt wird, wodurch Röntgenstrahlen beim Auftreffen auf der Anode erzeugt werden.
Ein Problem mit Röntgenröhrenanoden 10 nach dem Stand der Technik ist, dass die Temperatur, die erforderlich ist, um eine hochfeste Hartlötverbindung zwischen dem Molybdänlegierungs substrat 48 und der Graphitscheibe 16 zu erzielen, höher ist als die Rekristallisationstemperatur des Molybdänlegierungssubstrates 48. Die Rekristallisation reduziert die Hochtemperatur-Umformfestigkeit des Molbydänlegierungssubstrates 48, welche dem Molbydänlegierungssubstrat 48 während der Schmiedefertigung verliehen wird.

   Die Hochtemperatur-Umformfestigkeit ist eine physikalische Eigenschaft, welche der von der Röhre erzeugten Röntgenstrahlenleistung Grenzen setzt. Eine höhere Umformfestigkeit ermöglicht höhere Drehgeschwindigkeit, Anodengr[delta]sse oder Betriebstemperatur oder Kombinationen aller drei.
Die vorliegende Erfindung minimiert die Temperatur, die notwendig ist, um eine hochfeste Hartlotverbindung zwischen dem Molybdänlegierungssubstrat 48 und der GraphitScheibe 16 zu erzielen und damit die für die Festigkeit schädlichen Folgen der Rekristallisation zu vermeiden.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine R[delta]ntgenröhrenanode 35 mit einer Drehanodenanordnung 12 gemäss der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Röntgenröhrenanode 35 wird von einer Lagerwelle 20 gedreht, die ein scheibenförmiges Target 38 trägt.

   Das Target 38 besitzt einen Wolfram-Rhenium-Bereich 18 zum Erzeugen von Röntgenstrahlen, ein Molybdänlegierungssubstrat 48 für die strukturelle Abstützung und eine Graphitscheibe 42 als Wärmesenke. Das Target 38 ist über den Stiel 24 an die Lagerwelle 20 angeschlossen, welche von Lagern 22 abgestützt ist, die eine Drehung ermöglichen. Das Target 38 ist typischerweise .. [phi][phi] [phi]    mit dem Stiel 24 unter Verwendung einer Hartlotlegierung verschweisst. Alternativ kann das Target 38 mit dem Stiel 24 verschraubt sein. Das Ende der Lagerwelle 20 ist an einem Rotor (nicht gezeigt) befestigt, welcher von einem Stator (nicht gezeigt) eines Induktionsmotors (nicht gezeigt) angetrieben wird. Die gesamte rotierende Anordnung 12 liegt auf anodischem Potential, während der Stator elektrisch geerdet ist.

   Eine Detailansicht des Anschlusses des Molybdänlegierungssubstrates 48 an die Graphitscheibe 42 zur Bildung einer Anodentargetanordnung 60 ist nachstehend in Fig. 3 gezeigt und eine Beschreibung des Verfahrens zum Herstellen der Anodentargetanordnung 60 ist in Fig. 4 dargestellt.
Wie bei der Anordnung von Fig. 1 sind die Drehanodenanordnung 12 und eine Kathodenanordnung (nicht gezeigt) in einer Vakuumumhüllung dicht enthalten (entweder eine Glas- oder hartverlötete Metallkonstruktion) und in einem leitfähigen Metallgehäuse (nicht gezeigt) montiert. Die Drehanodenanordnung 12, der Stator und die Vakuumumhüllung sind elektrisch voneinander isoliert.

   Eine typische Röntgenröhrenanode 35 weist ferner eine Röntgenröhrenkathodenanordnung (nicht gezeigt) auf, um einen fokussierten Elektronenstrahl zu erzeugen, der über einen grossen Vakuumspalt zwischen Anode und Kathode beschleunigt wird, und um Röntgenstrahlen beim Auftreffen auf der Anode zu erzeugen.
Fig. 3 ist eine Detailansicht der Anodentargetanordnung 60 von Fig. 2. Unter Bezugnahme nun auf die Fig. 2 und 3 verbin [phi] [phi]  [Phi]  [phi]  det ein erster Hartlötschritt ein dünnes Molybdänlegierungsblatt 40 mit einer GraphitScheibe 42 unter Verwendung entweder eines Reinzirkon- oder Reintitanhartlotes 44, um eine plattierte Graphitunteranordnung 46 zu bilden. Bevorzugt ist das dünne Molybdänlegierungsblatt 40 etwa 0,5 mm dick.

   Ein zweiter Hartlotschritt verbindet die Unteranordnung 46 mit einem Molybdänlegierungssubstrat 48 unter Verwendung einer ausgewählten Gruppe Hartlotlegierungen 50, um die Anodentargetanordnung 60 zu bilden.
Diese Hartlotlegierungen 50 sind dafür ausgelegt, Schmelztemperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Molybdänliegerungssubstrates 48 zu haben und WiederaufSchmelztemperaturen oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Molybdänlegierungssubstrates. Zwei Legierungshartlote 50 werden bevorzugt. Das erste, nachstehend als Ti-Cr-Be-Hartlot bezeichnet, ist eine Mischung, welche etwa 72 Gewichtsteile Titan, 25 Gewichtsteile Chrom und 3 Gewichtsteile Beryllium enthält und einen Schmelzpunkt von etwa 1110[deg.]C hat.

   Das zweite, nachstehend als Ti-Si-Hartlot bezeichnet, ist eine Mischung, welche etwa 91,5 Gewichtsteile Titan und 8,5 Gewichtsteile Silizium enthält, wobei die Mischung einen Schmelzpunkt von etwa 1200[deg.]C hat. Nach dem Hartverl[delta]ten beträgt die WiederaufSchmelztemperatur beider Legierungshartlote 50 etwa 1700[deg.]C aufgrund der Diffusion von Molybdän aus dem Molybdänlegierungssubstrat 48 in das Hartlot 50 hinein. [Phi]
Durch Reduzieren der Temperatur, welcher das Molybdänlegierungssubstrat 48 in den Hartlötschritten ausgesetzt ist, unter etwa 1200 [deg.]C, was die Temperatur ist, bei welcher die Umformfestigkeit der Molybdänlegierung zusammenbricht, werden höhere Umformfestigkeiten für das Molybdänlegierungssubstrat 48 erhalten.

   Diese Molybdänlegierungssubstrate 48 mit Hochtemperatur-Umformfestigkeit zeigen eine grössere Widerstandsfähigkeit gegenüber der Möglichkeit eines Röhrenausfalles durch Verringerung der Wahrscheinlichkeit eines Bruches an der Schnittstelle zwischen Molybdänlegierungssubstrat 48 und Graphitscheibe 42. Die Anodentargetanordnung 60 besteht aus einem Molybdänlegierungssubstrat 48, welches eine beträchtliche Menge an Arbeit beibehält, die ihm durch Schmieden verliehen worden ist, und das mit der Graphitscheibe 42 unter Verwendung der beiden Hartlote 50, jeweils mit einer Diensttemperatur bei oder nahe 1600[deg.]C, verbunden worden ist.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die erläuterten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente im Rahmen der angeschlossenen Ansprüche abdeckt.

Claims (7)

_ . Patentansprüche :

1. Anodentargetanordnung zur Verwendung in einer Drehanoden-Röntgenröhre, mit: einer Graphitscheibe (42) ; einem Molybdänlegierungsblatt (40) ; einer ersten Hartlotlegierung (44) zum Verbinden der Graphitscheibe (42) mit dem Molybdänlegierungsblatt (40) ; einem Molybdänlegierungssubstrat (48) ; und einer zweiten Hartlotlegierung (50) zum Verbinden des Molybdänlegierungsblattes mit dem Molybdänlegierungssubstrat (48).

2. Anodentargetanordnung nach Anspruch 1, bei welcher das Molybdänlegierungsblatt (40) und das Molybdänlegierungssubstrat (48) TZM umfassen.

3. Anodentargetanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die erste Hartlotlegierung (44) eine Reinmetallhartlotlegierung ist .

4. Anodentargetanordnung nach Anspruch 3, bei welcher die Reinmetallhartlotlegierung aus der Gruppe bestehend aus Reintitanhartlotlegierung und Reinzirkonhartlotlegierung ausgewählt ist.

5. Anodentargetanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die zweite Hartlotlegierung (50) eine Schmelztemperatur unter der Rekristallisationstemperatur des Molybdänlegierungssubstrates (48) und eine WiederaufSchmelztemperatur nach dem

Hartverlöten über der Rekristallisationstemperatur des Molybdänlegierungssubstrates (48) hat.

6. Anodentargetanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Zusammensetzung der zweiten Hartlotlegierung (50) etwa 72 Gewichtsteile Titan, 25 Gewichtsteile Chrom und 3 Gewichtsteile Beryllium enthält.

7. Anodentargetanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Zusammensetzung der zweiten Hartlotlegierung (50) etwa 91,5 Gewichtsteile Titan und 8,5 Gewichtsteile Silizium enthält.