DE102004003368A1

DE102004003368A1 - Drehanodenteller für direkt gekühlte Hochleistungs-Drehkolbenröhre

Info

Publication number: DE102004003368A1
Application number: DE200410003368
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr. Lenz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: DE102004003368B4

Abstract

Drehanodenteller, insbesondere für eine Hochleistungs-Drehkolbenröhre mit direkter Anodenkühlung, mit einem Grundkörper aus einer Molybdän- oder Wolfram-Legierung, insbesondere aus Titan-Zirkonium-Kohlenstoff-legiertem Molybdän mit einer Wolfram-Rhenium-Schicht im Bereich der Brennbahn, wobei der Grundkörper unterhalb der Brennbahn mit einer dieser gegenüber verbreiteten Ring-Aussparung versehen ist, in der das Material des Grundkörpers - von der Brennbahn aus nach unten betrachtet - durch eine Schichtfolge von Kupfer und Nickel, Niob oder Tantal oder Stahl ersetzt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehanodenteller, insbesondere für eine Hochleistungs-Drehkolbenröhre mit direkter Anodenkühlung, mit einem Grundkörper aus einer Wolfram- oder Molybdänlegierung, insbesondere aus Titan-Zirkonium-Kohlenstoff-legiertem Molybdän mit einer Wolfram-Rhenium-Schicht im Bereich der Brennbahn.
Bei Drehkolbenröhren ist der Anodenteller direkt mit dem Öl gekühlt. Dies führt zu größeren Temperaturgradienten im Anodenteller als bei herkömmlichen Röntgenröhren, bei denen die Tellerunterseite nur durch Strahlung abkühlen kann. Zwar lassen sich derartige Drehkolbenröhren mit direkt in einer Flüssigkeit gekühltem Anodenteller mit höheren Leistungen betreiben, doch führt der vergrößerte Temperaturgradient zu erhöhten Zugspannungen im Material durch den Betrieb.
Durch diese hohen Zugspannungen können sich im Betrieb Risse in der Brennbahn und im Anodenteller bilden, wobei diese Risse relativ schnell in das Tellermaterial hineinwachsen und dabei die Gefahr besteht, dass sie gänzlich durchwachsen, was natürlich zu einem völligen Ausfall der Röhre führen würde.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drehanodenteller für eine direkt gekühlte Hochleistungsdrehkolbenröhre so auszugestalten, dass das zyklische Risswachstum gebremst und wenn möglich vollständig gestoppt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Drehanodenteller der eingangs genannten Art vorgesehen, dass der Grundkörper unterhalb der Brennbahn mit einer dieser gegenüber verbreiterten Ringaussparung versehen ist, in der das Material des Grundkörpers – von der Brennbahn aus nach unten betrachtet – durch eine Schichtfolge von Kupfer und Nickel, Niob, Tantal oder Stahl ersetzt ist.

Die genannten Materialien sind nicht nur sehr viel duktiler als das spröde Tellermaterial des Grundkörpers, wobei der bruchmechanische K_Q-Wert deutlich über der Betriebsbeanspruchung liegt. Sie weisen auch einen relativ hohen Widerstand gegen zyklisches Risswachstum auf und darüber hinaus ist ihre Wärmeleitung λ als Verbund in der gleichen Größenordnung wie diejenige des Materials des Grundkörpers, so dass die Wärmeabfuhr durch das Vorsehen der rissbremsenden Schichten nicht wesentlich verändert wird.

Die λ-Werte der insgesamt verwendeten Materialien betragen:

TZM (Tellergrundmaterial)	130 W.m/K
Cu	400
Ni	92
Nb	53
Ta	54
Austenit. Stahl	20
Cr-Stahl	30

Man kann beispielsweise aus den fünf zuletzt genannten Materialien, also von Nickel bis Chrom-Stahl, einen Blechstreifen bzw. eine Scheibe einsetzen, wenn man entsprechend dem Temperaturwiderstand ein etwas dickeres Kupferblech zusätzlich einsetzt, so dass der Gesamt-Temperaturwiderstand des TZM wieder in etwa erreicht wird. Wird der Gesamt-Temperaturwiderstand zu hoch, dann wird die Brennbahnspitzentemperatur zu hoch, wird der Gesamt-Temperaturwiderstand aber zu klein, dann wird das Kühlöl zu heiß und beginnt zu cracken.

Zyklische Risswachstumsversuche haben dabei gezeigt, dass speziell am Übergang von Kupfer zu Nickel (in etwas geringerem Umfang auch zu Niob oder Tantal) ein Anriss über längere Zeit stehen bleibt, wobei dieses Stehenbleiben über längere Zeit bedeutet, dass bei größeren Spannungsintensitätswerten ein Anriss 20.000 bis 40.000 Zyklen stehen bleiben kann.

Daraus resultiert, dass man möglichst mehrere Schichtfolgen Kupfer und Niob, Tantal oder bevorzugt Nickel vorsieht, dass man also beispielsweise unter einer ersten Schichtfolge Kupfer und Niob eine weitere Schichtfolge Kupfer/Nickel anordnet.

Speziell bei einem unerwartet negativen Temperatureinfluss auf da/dN (dies bedeutet die Änderung der Risslänge pro Zyklus) bietet sich an, das im Hinblick auf das Stoppen eines Anrisses an sich bevorzugte Nickel durch kriechbeständigere Materialien zu ersetzen.

Man kann in diesem Fall beispielsweise die erste Nickelschicht durch Niob ersetzen (wegen der höheren Schmelztemperatur von Niob mit 2.468 °C gegenüber der Schmelztemperatur 1.453 °C von Nickel). Daraus ergibt sich, dass die Betriebstemperatur bei Niob einer homologen Temperatur von 0,32 gegenüber 0,51 bei Nickel entspricht. Daraus wiederum resultiert, dass Kriecheffekte bei Niob geringer ausgeprägt sind. Die Verwendung von Tantal wird nur in Sonderfällen zweckmäßig sein, da dieses Material zwar im Sinne der Erfindung hervorragende Eigenschaften aufweist, jedoch aus Umweltschutzgründen und wegen der Versprödungsneigung weniger als die beiden anderen geeignet ist.

Eine weitere Alternative ist der Ersatz von Nickel durch einen stickstofflegierten Edelstahl, weil dieser Stahltyp eine extrem hohe Risszähigkeit besitzt und um den Faktor 5 kleinere Risswachstumsraten als Kupfer besitzt. Derartige Stahlschichten sollten aber bevorzugt nicht alle Nickelschichten in den verschiedenen Schichtfolgen ersetzen, sondern bevorzugt nur in einer der untersten Schichtfolgen eingesetzt sein. In jedem Fall ist es anzustreben, dass eine oder mehrere Schichtfolgen Kupfer-Nickel vorhanden sind, um die ein gangs angesprochenen hervorragenden Unterbrechungen des Risswachstums speziell am Übergang von Kupfer zu Nickel auszunutzen.

Anstelle der Ausbildung der Schichten als Bleche kann es auch vorteilhaft sein, wenn die erste und/oder die erste und die zweite Nickelschicht durch ein Nickel, Niob- oder Stahlnetz ersetzt sind, wobei anstelle eines Netzes auch ein Lochblech eingesetzt werden könnte. Durch diese Ausbildung kann erreicht werden, dass ein im Kupfer voranschreitender Riss beim Passieren des Hindernisses sich verzweigt, wodurch die Spannungsintensität an den zwei neu gebildeten Rissspitzen fast um den Faktor 2 abnimmt. Da die da/dN-Werte von dem zyklischen Spannungsintensitätsfaktor ΔK exponentiell abhängen, wird eine deutliche Erniedrigung der zyklischen Risswachstumsrate erreicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in die Schichtfolgen Keramik- oder Glasfaserverstärkungen als Rissstopper eingebracht sind, was beispielsweise in der Weise erfolgen kann, dass die Keramik- oder Glasfaserverstärkungen in eine Ringaussparung einer Kupferlage eingelegte beabstandete Ringe sind. Zur Herstellung werden im einfachsten Fall diese Faserbündel mit Lötfolie umwickelt oder mit Lötmaterial getränkt, in Kanäle der Kupferlage eingelegt und die Aussparung anschließend, vorzugsweise durch Ausgießen, wieder verfüllt. Glas- oder Keramikfasern besitzen eine sehr hohe Festigkeit, die je nach Typ 1000 bis 4000 N/mm² betragen kann, und haben auch einen sehr hohen kritischen Spannungsintensitätsfaktor, oberhalb dessen erst ein Risswachstum unterkritisch oder überkritisch Weiterwachsen kann. Das Konzept des Einbettens von Keramik- oder Glasfaserverstärkungen beruht darauf, dass lokale Verformungen im Kupfer im Bereich der Rissspitze nicht mehr auftreten können, wenn dieser Bereich die Glasfasern passiert und das Faserbündel die Kräfte aufnimmt, so dass dann ein Rissstopp einsetzt.

Das geeignetste Material wäre SiC, da es die gleiche Wärmeleitung wie das Tellergrundmaterial aufweist. Dieses kommt aber aus Kostengründen nur bedingt in Frage, so dass bevorzugt dann doch Keramikfasern oder Glasfasern mit dem Nachteil einer schlechteren Wärmeleitung eingesetzt werden sollen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen die 1 bis 5 einen Schnitt durch das untere Ende einer Drehkolbenröhre mit unterschiedlichen Aufbauten des erfindungsgemäß ausgestalteten Drehanodentellers, wobei links die Aussparung im Grundkörper des Drehanodentellers ohne das eingebrachte Ersatzmaterial zu erkennen ist und rechts die Schichtfolge des Ersatzmaterials der jeweiligen Ausführungsform dargestellt ist.

Der vakuumdicht in das untere Ende der Vakuumhülle 1 der Drehkolbenröhre eingesetzte Drehanodenteller 2 besteht aus einem Grundkörper 3 aus einer Wolfram- oder Molybdänlegierung, vorzugsweise aus TZM, das heißt einem Titan-Zirkonium-Kohlenstoff-legierten Molybdän, mit einer Wolfram/Rhenium-Schicht 4 im Bereich der Brennbahn. Dieser Grundkörper 3 ist unterhalb der Brennbahn mit einer dieser gegenüber verbreiterten Ring-Aussparung 5 versehen, in der das Material des Grundkörpers, also das TZM, – von der Brennbahn aus nach unten betrachtet – durch eine Schichtfolge von Kupfer und Nickel, Niob, Tantal oder Stahl ersetzt ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach 1 ist eine doppelte Schichtenfolge Kupfer/Nickel untereinandergeordnet, das heißt man hat zunächst eine Kupferschicht 6 gefolgt von einer Nickelschicht 7 und anschließend wiederum eine Kupferschicht 8 gefolgt von einer Nickelschicht 9. Diese Schichtfolge hat wegen der zweifachen Übergänge Kupfer/Nickel besonders gute Eigenschaften, was das Stoppen von Rissen an der jeweiligen Grenzfläche anlangt.

Beim Ausführungsbeispiel nach 2 ist die Schicht 7 keine Nickelschicht sondern eine Niob- oder Tantalschicht, während die Schichten 8 und 9 wiederum Kupfer- bzw. Nickelschichten sind. Darüber hinaus kann beim Ausführungsbeispiel nach 2 der gestrichelte Ringbereich 10 oberhalb der Kupferschicht 6 ebenfalls durch Kupfer ersetzt sein.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 folgt auf die obere Kupferschicht 6 ein Lochblech 7' oder ein Netz jeweils aus Nickel, Niob, Tantal oder Stahl. Anschließend sind wiederum die bereits angesprochenen Kupfer- und Nickelschichten 8 und 9 angeordnet.

Die Ausführungsbeispiele nach den 4 und 5 unterscheiden sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dadurch, dass zunächst der Ringbereich 10 ebenfalls zur Aussparung 5 gehört und somit eine entsprechend dicke Kupferschicht 6' vorhanden ist. In diese sind Faserbündel 11 aus Keramik- oder Glasfasern eingebettet, wobei man bei 12 die Lötnaht erkennt, die durch das Einsetzen der Faserbündel in eine gerundete Ringaussparung der Kupferschicht 6' und das anschließende wieder Ausfüllen dieser Ringnut nach dem Einbringen der Faserbündel 11 entsteht. Die Faserbündel 11 sind dabei bevorzugt unter Verwendung von Lotmaterial, beispielsweise einer Lotfolie, in eingefräste Ringe der Schichten 7Kupferschicht 6'eingelegt. Nach unten folgen dann noch die bis 9 wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen. Die beiden Ausführungsbeispiele nach den 4 und 5 unterscheiden sich dabei lediglich durch die Form der Aussparung der Kupferschicht 6', in welche die Faserbündel 11 eingelegt sind.

Claims

Drehanodenteller, insbesondere für eine Hochleistungs-Drehkolbenröhre mit direkter Anodenkühlung, mit einem Grundkörper aus einer Molybdän- oder Wolfram-Legierung, insbesondere aus Titan-Zirkonium-Kohlenstoff-legiertem Molybdän mit einer Wolfram-Rhenium-Schicht im Bereich der Brennbahn, dadurch gekennzeichnet , dass der Grundkörper unterhalb der Brennbahn mit einer dieser gegenüber verbreiteten Ring-Aussparung versehen ist, in der das Material des Grundkörpers – von der Brennbahn aus nach unten betrachtet – durch eine Schichtfolge von Kupfer und Nickel, Niob oder Tantal oder Stahl ersetzt ist.
Drehanodenteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine erste Schichtfolge aus Kupfer und wahlweise Niob, Tantal oder bevorzugt Nickel wenigstens eine weitere Schichtfolge Kupfer/Nickel-Niob-Tantal folgt.
Drehanodenteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine erste Schichtfolge aus Kupfer und Niob, Tantal oder bevorzugt Nickel, vorzugsweise nach einer weiteren derartigen Schichtfolge eine Schicht aus Stahl, insbesondere aus austenitischem Edelstahl und/oder aus Chromstahl eingesetzt ist.
Drehanodenteller nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Schichten, insbesondere die Nickel- oder Niobschicht der ersten Schichtfolge in Form eines Lochblechs oder Netzes ausgebildet sind.
Drehanodenteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Schichtenfolgen Kohlenstoff-, Keramik- oder Glasfaserverstärkungen als Rissstopper eingebracht sind.
Drehanodenteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-, Keramik- oder Glasfaserverstärkungen in eine Ringaussparung einer Kupferlage eingelegte beabstandete Ringe sind.
Drehanodenteller nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel mit Lotfolie umwickelt oder mit Lotmaterial getränkt in Kanäle der Kupferlage eingelegt werden, und dass die Aussparung anschließend vorzugsweise durch Ausgießen wieder verfüllt wird.