CH652861A5

CH652861A5 - X-RAY TUBE ROTATING ANODE.

Info

Publication number: CH652861A5
Application number: CH474481A
Authority: CH
Inventors: Ernst Dr Geldner; Herbert Schnitger; Guenter Appelt; Rudolf Friedel
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1981-03-02
Filing date: 1981-07-20
Publication date: 1985-11-29
Also published as: ATA461181A; FR2500958A1; FR2500958B1; AT388626B; DE3107924A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Röntgenröhren-Drehanode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Drehanoden sind z.B. bekannt aus der DE-OS 28 33 751. The invention relates to an X-ray tube anode according to the preamble of claim 1. Such anodes are e.g. known from DE-OS 28 33 751.

Bei Drehanoden von Röntgenröhren tritt bekanntlich bei der Erzeugung von Röntgenstrahlen eine starke Erhitzung auf. Sie entsteht im Verhältnis zur Möglichkeit des Abwan-derns von Wärme sehr schnell. Daher wird eine örtliche Erhitzung und damit Wärmeausdehnung erhalten, was Anlass zu Verspannungen im Material gibt, die zum Zerspringen von Anodentellern führen können. In the case of rotating anodes of X-ray tubes, it is known that strong heating occurs when X-rays are generated. It arises very quickly in relation to the possibility of heat dissipating. Therefore, local heating and thus thermal expansion is obtained, which gives rise to tension in the material, which can lead to the anode plates shattering.

Nach obengenannter DE-OS 28 33 751 soll durch Bohrungen, welche die Brennfleckbahn(en) unterqueren, eine Entspannung erreicht werden. Dabei wird aber von einer Drehanode ausgegangen, die einen ganz aus Metall bestehenden Teller hat, der von der äusseren Peripherie bis zur Achse reicht. Dabei müssten gerade Bohrungen sehr lang sein, um von der Peripherie bis zur Achse durchzugehen. Die Entspannung durch Einbringen von Bohrungen ist daher recht umständlich. Kürzere Bohrungen, etwa solche mit schrägem Austritt des Bohrers aus dem Material, weisen das Risiko auf, dass der Bohrer bricht bzw. als Abhilfe eine zusätzliche Bohrung am Auslauf der radial verlaufenden Entspannungsbohrung angebracht werden muss, damit die Bohrerspitze einen «Auslauf» hat. Insbesondere bei extrem hohen Drehzahlen ergibt sich zusätzlich der Nachteil, dass diese zusätzlichen «Auslaufbohrungen» weitere Kerben mit den Folgen von Kerbspannungsfaktoren darstellen, die das Risiko des Bruches erhöhen. Ausserdem ergibt sich durch die direkte metallische Verbindung zwischen Brennfleckbahn und Achse eine unerwünscht gute Wärmeleitung über die Achse zu den Lagern. According to DE-OS 28 33 751 mentioned above, relaxation is to be achieved through bores which pass under the focal spot path (s). However, a rotating anode is assumed that has a plate made entirely of metal, which extends from the outer periphery to the axis. Bores in particular would have to be very long to go through from the periphery to the axis. The relaxation by drilling holes is therefore quite cumbersome. Shorter bores, such as those with an inclined exit of the drill from the material, have the risk that the drill breaks or, as a remedy, an additional hole must be made at the outlet of the radial relief bore so that the drill tip has an “outlet”. In particular at extremely high speeds, there is the additional disadvantage that these additional “outlet bores” represent further notches with the consequences of notch stress factors that increase the risk of breakage. In addition, the direct metallic connection between the focal spot path and the axis results in undesirably good heat conduction via the axis to the bearings.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Röntgenröhren-Drehanode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 unter Vermeidung vorgenannter Nachteile und Schwierigkeiten eine Verbesserung der thermischen Eigenschaften zu erreichen. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. The invention has for its object to achieve an improvement in the thermal properties in an X-ray tube anode according to the preamble of claim 1 while avoiding the aforementioned disadvantages and difficulties. This object is achieved according to the invention by the measures specified in the characterizing part of claim 1. Advantageous further developments and refinements of the invention are the subject of the dependent claims.

Durch die Verwendung eines wenigstens 6 mm dicken und der Breite der Brennfleckbahn(en) etwa entsprechenden • Ringes, der eine wärmedämmende Nabe aufweist, wird Erkenntnissen Rechnung getragen, die ergeben haben, dass beim Vorgang der Verteilung der Wärme aus dem Brennfleck in das Anodenmaterial hinein die lateral ausfliessenden Wärmemengen vernachlässigbar sind im Vergleich zu dem in Z-Richtung (senkrecht zur Anodenoberfläche) eindringenen Wärmestrom. Wie Rechnungen zeigten, wird während der Belastung zunächst nur der Brennfleck und im Laufe längerer Belastungen insbesondere nur die Partien der Brennfleckbahn, die unterhalb der Brennfleckbahn liegen, durch die bei der Erzeugung von Röntgenstrahlen auftretende Wärmeenergie erhitzt. Teile ausserhalb der Brennfleckbahn (Aussenrand und Zentrum) werden erst langsam durch Wärmeleitung heiss. By using a ring that is at least 6 mm thick and approximately the same as the width of the focal spot path (s) and has a heat-insulating hub, knowledge is taken into account that has shown that during the process of distributing the heat from the focal spot into the anode material the laterally flowing amounts of heat are negligible compared to the heat flow entering in the Z direction (perpendicular to the anode surface). As calculations have shown, only the focal spot is initially heated during the exposure and in particular only the parts of the focal spot path which lie below the focal spot path are heated by the thermal energy occurring during the generation of X-rays during the course of longer loads. Parts outside the focal spot path (outer edge and center) only slowly become hot due to heat conduction.

Gerade wegen des längeren Weges der Wärme in Richtung zum Drehzentrum, also entlang des Anodenradius, erreicht die Übergangsstelle Anodenteller/Achse erst viel später die gleiche Temperatur wie die Brennfleckbahn. Wird nun der Körper der Anode in der Brennfleckbahn dicker gemacht und zudem die radiale Erstreckung zu einem Ring verkürzt, der nur so breit ist wie die Brennfleckbahn bzw. -bahnen es erforderlich machen, dann treten wegen der gleichmässigeren Erwärmung weniger hohe thermomechani-sche Spannungen auf. Precisely because of the longer path of the heat towards the turning center, i.e. along the anode radius, the anode plate / axis transition point only reaches the same temperature as the focal spot path much later. If the body of the anode in the focal spot path is now made thicker and the radial extension is shortened to a ring that is only as wide as the focal spot path or paths require, then less high thermal-mechanical stresses occur due to the more uniform heating .

Nach der Erfindung wird also von dem grossen Vorteil der ringartigen Ausführung der Anode Gebrauch gemacht, bei der unterhalb der Brennfleckbahn viel Material vorhanden ist. Bei ihr können in einfacher Weise Bohrungen eingebracht werden, die an der zylindrischen, der Achse zugewandten Innenfläche enden. Diese sollten im wesentlichen Durchmesser um 2 mm haben, weil dies im Verhältnis zur Materialdicke am Rand der Anode einerseits geringe Kerbspannungsfaktoren ergibt und andererseits ihre noch nicht zu sehr schwächt. Eine Endbohrung wie bei bis zur Achse ganz aus Metall bestehenden Tellern, bei denen die Bohrung nicht bis zum Zentrum reichen soll, um zusätzliche Kerben zu vermeiden, ist bei der Ringanordnung nicht nötig. Ferner kann von der Oberfläche her der Metallkörper geschlitzt werden, so dass eine einfache, kostengünstige Herstellung möglich ist. Ausserdem lässt die Ringanordnung wegen des freien Auslaufes der Trennscheibe nach dem grossen Raum im Zentrum zu, dass die Anzahl der einzubringenden Schlitze erhöht wird. Statt der bei einem Durchmesser der Anode von 100 mm für Platten geeigneten sechs Schlitze können leicht zwölf vorgesehen werden. According to the invention, use is made of the great advantage of the ring-like design of the anode, in which a lot of material is present below the focal spot path. With it, holes can be made in a simple manner, which end on the cylindrical inner surface facing the axis. These should essentially have a diameter of around 2 mm, because on the one hand this results in low notch stress factors in relation to the material thickness at the edge of the anode and on the other hand does not weaken them too much. An end bore as in plates made entirely of metal up to the axis, in which the bore should not extend to the center in order to avoid additional notches, is not necessary with the ring arrangement. Furthermore, the metal body can be slotted from the surface, so that simple, inexpensive production is possible. In addition, because of the free outlet of the cutting disc after the large space in the center, the ring arrangement allows the number of slots to be introduced to be increased. Instead of the six slots suitable for plates with an anode diameter of 100 mm, twelve can easily be provided.

Die Bohrungen sollen in radialer Richtung vorzugsweise parallel zur Anodendeckfläche durchgeführt werden. Dies hat zur Folge, dass der Basiswirkstoff, etwa Molybdän, dem 5% Wolfram zugesetzt sind (MoW5), so wenig wie möglich geschwächt wird. The bores should preferably be made in the radial direction parallel to the anode top surface. As a result, the base active ingredient, such as molybdenum, to which 5% tungsten (MoW5) has been added, is weakened as little as possible.

Bei Anoden für extrem hohe Drehzahlen (höher als 300 Hz) kann es zweckmässig sein, die durch Schlitze entstandenen Ringsektoren durch eine Bandage, die um den Umfang des Ringes gelegt ist, zu sichern. Eine solche Bandage kann etwa aus Wolframdrähten von 0,2 bis 0,3 mm Durchmesser erzeugt werden, die als ein- oder mehrlagige Wickel angebracht werden. Sie können dann einen wesentlichen Teil der auf den Ring wirkenden Zentrifugalkräfte aufnehmen. Die Verwendung von Drähten aus Wolfram wird vorgeschlagen, weil bekanntermassen mit abnehmendem Durchmesser des Drahtes die Zerreissfestigkeit bei Wolfram zunimmt. Die Bandagierung kann am Rand des Ringes durch Verlötungen In the case of anodes for extremely high speeds (higher than 300 Hz), it may be expedient to secure the ring sectors caused by slots by means of a bandage which is placed around the circumference of the ring. Such a bandage can be produced, for example, from tungsten wires with a diameter of 0.2 to 0.3 mm, which are attached as single or multi-layer coils. You can then absorb a substantial part of the centrifugal forces acting on the ring. The use of tungsten wires is proposed because, as is known, the tensile strength of tungsten increases with decreasing wire diameter. The bandage can be soldered to the edge of the ring

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

an den einzelnen Sektoren des Anodenringes erfolgen. Geeignete Lote sind z.B. Vanadium (V) und Zirkonium (Zr) bzw. eine Legierung aus beiden, bei der das V 30% ausmacht. Auch Platin (Pt) oder Rhodium (Rh) sind als Lot geeignet. on the individual sectors of the anode ring. Suitable solders are e.g. Vanadium (V) and zirconium (Zr) or an alloy of both, in which the V accounts for 30%. Platinum (Pt) or rhodium (Rh) are also suitable as solder.

Die Halterung des Ringes an der Achse erfolgt zweckmässigerweise, wie etwa aus der DE-PS 10 99 095 bekannt, über wärmedämmende Mittel, etwa eine Nabe aus Graphit (C), Molybdän (Mo) oder Titan (Ti). Eine zweckmässige Ausgestaltung kann auch darin bestehen, dass ein Verbindungsstück aus Graphit verwendet wird, in welches eine Nabe aus Metall, etwa aus Niob (Nb), eingesetzt ist, über die dann die eigentliche Verbindung an der Metallachse, die etwa aus Moybdän bestehen kann, hergestellt wird. Insbesondere nach dieser letztgenannten Kombination wird eine sichere Verbindung mit der Achse erreicht, weil die metallischen Partner durch Schweissen oder Löten zuverlässig verbunden werden können. The ring is advantageously held on the axle, as is known, for example, from DE-PS 10 99 095, by means of heat-insulating means, for example a hub made of graphite (C), molybdenum (Mo) or titanium (Ti). An expedient embodiment can also consist in that a connecting piece made of graphite is used, into which a hub made of metal, for example made of niobium (Nb), is inserted, via which the actual connection on the metal axis, which can consist, for example, of moybdenum, is then used. will be produced. In particular after this last-mentioned combination, a secure connection with the axis is achieved because the metallic partners can be reliably connected by welding or soldering.

Als günstig hat es sich auch erwiesen, die Bohrungen zwar weitgehend parallel zur Oberfläche auszuführen, sie aber statt in radialer Richtung in einem seitlichen Winkel zum Radius zu führen. Dies ergibt den Vorteil, dass beim Durchqueren des schräg unter einem Winkel zum Radius verlaufenden Schlitzes durch den Brennfleck keine sprunghafte Fokusverschiebung für die Zeitdauer des Durchquerens des Brennflek-kes eintritt. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn zwischen der Richtung der Bohrung und dem Radius in Abhängigkeit von der Fokusbreite eine Winkel von 5° bis 25°, insbesondere 15°, eingehalten wird, weil dann die Gewähr gegeben ist, dass nie die volle Schlitzbreite sich mit der Fokusbreite deckt, was eine unerwünschte kurzzeitige axiale Fokusverschiebung um die Tiefe des Schlitzes einschliesslich Bohrung zur Folge hätte. It has also proven to be expedient to make the bores largely parallel to the surface, but to run them at a lateral angle to the radius instead of in the radial direction. This has the advantage that when the slit, which runs obliquely at an angle to the radius, passes through the focal spot, there is no sudden focus shift for the duration of the passage through the focal spot. It has proven to be particularly advantageous if an angle of 5 ° to 25 °, in particular 15 °, is maintained between the direction of the bore and the radius depending on the focus width, because then there is the guarantee that the full slot width is never coincides with the focus width, which would result in an undesirable short-term axial focus shift around the depth of the slot including the bore.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Further details and advantages of the invention are explained below using the exemplary embodiments shown in the figures.

Figur 1 ist ein Übersichtsschaubild gezeichnet über eine Drehanoden-Röntgenröhre, deren Anode nach der Erfindung ausgestaltet ist, FIG. 1 is an overview diagram drawn over a rotating anode X-ray tube, the anode of which is designed according to the invention,

Figur 2 eine vergrösserte Darstellung der in Figur 1 verwendeten Anode, die teilweise aufgebrochen ist, FIG. 2 shows an enlarged illustration of the anode used in FIG. 1, which has been partially broken open,

Figur 3 ein Ausschnitt aus einer Draufsicht auf die in den vorhergehenden Figuren gezeichnete Anode, FIG. 3 shows a detail from a top view of the anode shown in the previous figures,

Figur 4 ein Ausschnitt aus der Anode nach Figur 3, bei welcher eine halternde Bandage aus Wolframdrähten angedeutet ist, und FIG. 4 shows a detail from the anode according to FIG. 3, in which a holding bandage made of tungsten wires is indicated, and

Figur 5 die Draufsicht auf eine Anode, bei welcher die Bohrungen in einem Winkel zum Radius eingebracht sind. Figure 5 is a plan view of an anode in which the holes are made at an angle to the radius.

In der Figur 1 ist mit 1 eine Drehanoden-Röntgenröhre bezeichnet, die in ihrem Vakuumkolben 2 eine Kathodenanordnung 3 und eine Anodenanordnung 4 an ihren einander gegenüberliegenden Stirnseiten trägt. Die Kathode besteht In FIG. 1, 1 denotes a rotating anode X-ray tube which has a cathode arrangement 3 and an anode arrangement 4 in its vacuum piston 2 on its opposite faces. The cathode is there

652 861 652 861

dabei aus einer an der einen Stirnseite angesteckten Hülse 5, die in einer Abdeckung 6 eine nicht dargestellte Glühkathode trägt. Die Anodenanordnung 4 weist in an sich bekannter Weise eine Rotor 7 auf, der die eigentliche Drehanode 8 trägt. Diese weist Brennfleckbahnen 9 und 10 auf, die um eine Achse 11 rotieren, an welcher die Anode 8 über ein Zwischenteil 12 aus z.B. Nb befestigt ist. Die Brennfleckbahnen 9 und thereby from a sleeve 5 which is plugged onto one end face and which carries a hot cathode (not shown) in a cover 6. The anode arrangement 4 has, in a manner known per se, a rotor 7 which carries the actual rotating anode 8. This has focal spot tracks 9 and 10, which rotate about an axis 11, on which the anode 8 via an intermediate part 12 made of e.g. Nb is attached. The focal spots 9 and

10 liegen auf einem Ring 13 aus Molybdän, dem 5% Wolfram zulegiert sind. Der Ring 13 weist ausserdem Bohrungen 14 von 1,5 mm Durchmesser auf, die nach den Brennfleckbahnen 9 und 10, wie durch 0,5 mm breite Schlitze 15 angedeutet, aufgebrochen sind. Zwischen der Aschse 11 und dem Ring 13 liegt ein Tragteil 16 aus Graphit, welches ausserdem noch die gegenüber den Brennfleckbahnen 9 und 10 liegende Unterseite des metallischen Teiles 13 abdeckt. Zur Achse 11 hin ■ weist die Verbindung zwischen dem Ring 13 und der Achse 10 lie on a ring 13 made of molybdenum, to which 5% tungsten is alloyed. The ring 13 also has bores 14 of 1.5 mm in diameter, which are broken open after the focal spot tracks 9 and 10, as indicated by 0.5 mm wide slots 15. Between the ash 11 and the ring 13 there is a supporting part 16 made of graphite, which also covers the underside of the metallic part 13 opposite the focal spot tracks 9 and 10. Towards the axis 11, the connection between the ring 13 and the axis

11 ausserdem noch ein Teil 12 aus z.B. Niob (Nb) auf. 11 also part 12 from e.g. Niobium (Nb).

An der Peripherie des Ringes 13 ist eine Wicklung 17 aus einem Wolframdraht angebracht, der 0,3 mm dick ist. Die Wicklung 17 besteht aus zehn Windungen. Sie ist an den einzelnen, durch Schlitze 15 voneinander getrennten Teilen des Ringes durch Lötungen 18 fixiert. Die Lötungen bestehen aus Zirkon (Zr) oder Vanadium (V). At the periphery of the ring 13, a winding 17 made of a tungsten wire is attached, which is 0.3 mm thick. The winding 17 consists of ten turns. It is fixed to the individual parts of the ring which are separated from one another by slots 15 by means of solderings 18. The solderings are made of zircon (Zr) or vanadium (V).

Zur Erzeugung von Röntgenstrahlen wird an eine Röhre gemäss Figur 1 in an sich bekannter Weise zwischen der Kathode und der Anode eine ausreichende Spannung angelegt. Gleichzeitig wird ausserdem noch die in der Abdek-kung 6 enthaltene Glühkathode, die aus zwei Teilen besteht, von denen der eine der Brennfleckbahn 9 und der andere der Brennfleckbahn 10 zugeordnet ist, durch Anlegung einer Heizspannung zwischen den Leitungen 19 und 20 bzw. 19 und 21 zum Glühen gebracht. An der zwischen den Anschlüssen 20 und 21 liegenden Leitung 19 wird ausserdem noch die Kathodenspannung angelegt. Dadurch wird erreicht, dass auf eine oder beide der Brennfleckbahnen 9 und 10 Elektronen auftreffen, die dann Röntgenstrahlen erzeugen, die in üblicher Weise verwendet werden können. A sufficient voltage is applied to a tube according to FIG. 1 in a manner known per se between the cathode and the anode to generate X-rays. At the same time, the hot cathode contained in the cover 6, which consists of two parts, one of which is assigned to the focal spot path 9 and the other to the focal spot path 10, is also applied by applying a heating voltage between lines 19 and 20 or 19 and 21 made it glow. The cathode voltage is also applied to the line 19 lying between the connections 20 and 21. It is thereby achieved that electrons impinge on one or both of the focal spot tracks 9 and 10, which then generate X-rays which can be used in a conventional manner.

In der Figur 5 ist eine Ausführung gezeichnet, die Schlitze 15' aufweist, welche ebenso wie die Bohrungen 14' in einer Richtung angebracht sind, welche zum gestrichelt dargestellten Radius 23 einen Winkel 24 aufweisen, der 15° beträgt. Ansonsten stimmt ihre Ausführung mit derjenigen nach den Figuren 1 bis 4 überein. Der mit einer Ausführung nach Figur 5 erreichbare Vorteil ist, wie oben bereits erwähnt, derjenige, dass beim Durchqueren des Schlitzes durch den in radialer Richtung sich erstreckenden Auftreffpunkt 9' des Elektronenstrahls (Brennfleck über beide Bahnen) wenigstens Teile der Brennfleckbahnen 9 und 10 immer in Aktion sind, auch wenn in Abweichung von der dargestellten Belastung beider Bahnen 9 und 10 nur eine davon mit Elektronen beaufschlagt wird. FIG. 5 shows an embodiment which has slots 15 'which, like the bores 14', are made in a direction which has an angle 24 to the radius 23 shown in dashed lines, which is 15 °. Otherwise, their design corresponds to that according to FIGS. 1 to 4. The advantage that can be achieved with an embodiment according to FIG. 5 is, as already mentioned above, that when crossing the slit through the impact point 9 ′ of the electron beam (focal spot over both lanes) extending in the radial direction, at least parts of the focal spot paths 9 and 10 are always in Action is, even if only one of them is charged with electrons in deviation from the load shown on both tracks 9 and 10.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

G G

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

652 861

1. X-ray tube anode, the body of which has radial recesses which are bores crossing the focal spot path (s), characterized in that the bores are broken open towards the focal spot path and the body is at least 6 mm thick, approximately the width of the focal spot path is a corresponding ring which has a heat-insulating hub towards its axis of rotation.

2. Rotating anode according to claim 1, characterized in that the bores form an angle in the radial direction with the vertical on the axis.

2nd

PATENT CLAIMS

3. rotating anode according to claim 2, characterized in that the angle is 5 ° to 25 °, in particular 15 °.

4. rotating anode according to claim 1, characterized in that the hub has at least a part made of graphite, molybdenum or titanium.

5. Rotating anode according to claim 1, characterized in that the circumference of the ring is comprised by a holder.

6. rotating anode according to claim 5, characterized in that as a holder one or more layers of wires made of tungsten are wound around the outer circumference of the ring.

7. rotating anode according to claim 6, characterized in that the wires made of tungsten between the broken holes are fixed by solder points on the circumference of the ring.

8. rotating anode according to claim 7, characterized in that the solder consists of vanadium, zirconium, platinum or rhodium.